ペロブスカイト半導体の発光量子効率を計測：全方位フォトルミネセンス法で

メチルアンモニウムイオンの過不足がIQEに影響

　東北大学は2019年8月、全方位フォトルミネセンス（ODPL）法を用いて、ハライド系有機−無機ハイブリッド型ペロブスカイト半導体（CH₃NH₃PbBr₃）の発光量子効率（IQE）を計測することに成功したと発表した。この結果、IQEはメチルアンモニウム（CH₃NH₃）イオンの過不足によって大きく変動することが分かった。

　今回の研究成果は、東北大学多元物質科学研究所の小島一信准教授、秩父重英教授および、浜松ホトニクスの池村賢一郎氏、千葉大学大学院融合理工学府の松森航平氏、同大学大学院理学研究院の山田泰裕准教授、京都大学化学研究所の金光義彦教授らによるものである。

　結晶欠陥が生じにくい半導体材料の1つである「ハロゲン化金属ペロブスカイト」は、高い変換効率が得られるため、太陽電池の材料として注目されている。電気を光に変換するLED素子でも、ペロブスカイト半導体の応用が期待されている。

　LEDの性能をさらに向上させていくには、結晶品質を示すIQEなどを正確に評価する必要がある。ただ、これまで行われてきた一般的な発光分光計測方法だと、結晶の上方へ放射された光強度だけを検出することになり、効率測定として十分ではなかったという。

結晶の基礎吸収端エネルギーと呼ばれる2.21V電子ボルトより、大きなエネルギー領域と小さなエネルギー領域では、結晶から放出される光の方向が異なる。大きなエネルギー領域では、結晶の上方のみ放射され、その放射パターンや結晶から光が脱出する確率は結晶と空気の屈折率で決まる。これに対し小さなエネルギー領域では、結晶のあらゆる位置から放射され、その放射パターンや結晶から光が脱出する確率は、結晶の形状やサイズにも依存するという。

　そこで小島氏らは今回、結晶の上方に放射された光を検出する方法と、全方位に放射された光を検出する方法を組み合わせた、ODPL計測法を用いることでIQEの計測に成功した。

ODPL法によるIQEの計測と発光スペクトル 出典：東北大学

　これらの測定結果から、CH₃NH₃PbBr₃のIQEは、最低62.5％に達することが分かった。しかも、CH₃NH₃イオンの過不足が、IQEの変動に大きく影響していることを明らかにした。