太陽電池の性能を向上させるための努力により、圧電半導体材料がn型（電子リッチ）ウィンドウ層材料として使用されるようになりました。 p型（電子不足）光吸収体と組み合わせることで、pn接合（界面）のバンドギャップを改善し、デバイスに圧縮応力を加えることで光電性能を向上させることができます。 新しい研究では、日本の立命館大学の研究者が、室内の照明に非常に反応するようなデバイスを開発しています。
2010年、米国ジョージア工科大学のZhong Lin Wang教授が率いる研究チームは、圧電材料（機械的応力が加えられると電気エネルギーを生成する材料）を使用すると、光電子デバイス（変換するデバイス）の性能を向上できることを実証しました。光を電気に変換する（例：太陽電池）または電気を光に変換する（例：LEDまたはランプ）。
研究チームは、酸化亜鉛圧電（ZnO）ナノワイヤーを使用して、ワイヤーを曲げると同時にレーザー光源にさらすことにより、ZnOのバンドギャップを調整し、ナノワイヤーの電気的特性を改善することができました。 彼らの結果は、光電効果と光起電力効果によって特性を制御できる新しいタイプの柔軟で自律的な電子デバイスの開発への道を開きました。
このような背景から、日本の立命館大学の研究者たちは、LEDや電球型蛍光灯の室内照明だけで発電できる、薄くてしなやかな光起電装置を開発しました。 紙のように薄く、長さがわずか10mmのこのデバイスは、電子が豊富なn型圧電材料であるZnMgOと、電子を含む低コストのp型材料であるセレン（Se）の薄膜を堆積させることによって作成されました。欠乏。 柔軟なPETプラスチックフィルムで、室内の光を効率的に吸収できます。 圧電材料としてZnMgOを使用することにより、研究者は完全に乾式プロセスを使用して光起電力デバイスを製造することができ、化学溶液の必要性を回避しました。
「この研究では、光起電力効果が初めてZnMgO / Seヘテロ電気デバイスに適用されました」と、この研究の対応する著者である小林泰三教授は述べています。 この論文は2022年5月18日にオンラインで公開され、2022年8月にジャーナルNanoEnergyの99巻に掲載されました。
2つの半導体材料を結合すると、界面にpn接合が形成され、デバイスを曲げることで電子バンド構造を制御できます。
「圧縮応力がZnMgO層に加えられると、負に分極したZnMgO領域がSe層の近くに形成されます。この分極により、ZnMgO層とSe層の界面での伝導帯変位が減少します」と小林教授は付け加えました。
pn接合でのバンドギャップを最適化することにより、研究者は太陽電池の性能低下の主な原因の1つである電荷の再結合を克服することができました。 その過程で、光によって励起された電子は「ホール」（電子によって残された空孔）と結合し、そうでなければ電気を生成する電荷キャリアの損失をもたらします。 ZnMgO層に応力誘起分極を誘導することにより、研究者は開回路電圧（生成された有用な電荷キャリアの測定値）を0.59eVから0.75eVに上げることができました。
しかし、デバイスを曲げると電極層に亀裂が生じ、電流密度と光を電気に変換する能力が低下しました。 ただし、研究者は、グラフェンなどのより堅牢な材料を使用することで問題を解決できると確信しています。
「将来的には、ストレスに対してより堅牢な代替の透明導電性電極を開発する予定です」と小林教授は述べています。 「現在、私たちの論文がNano Energyなどの有名なジャーナルに受け入れられているという事実は、私たちの研究を促進する絶好の機会を提供しています。」
彼らの献身的な努力のおかげで、ピエゾエレクトロニクスは将来の薄膜太陽電池技術になる可能性があります。
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