ENGLISH
日本語
【材料・ナノテク】ペロブスカイト・ナノ結晶の特性評価（SuperK 白色光レーザーによる波長可変励起）
ペロブスカイト（perovskite）ナノ結晶の特性評価における波長可変光源として、SuperKシリーズ スーパーコンティニューム光源を利用できます。従来の太陽電池の多くは、シリコンの層を2つの電極で挟んだものでした。シリコン太陽電池は寿命が長く、安定性に優れていますが、その反面、限界もあります。そのひとつは、太陽スペクトルのすべての波長からエネルギーを吸収することができないことです。しかし、ペロブスカイトは有望な太陽電池の候補となっています。
NKT Photonics社製の SuperK スーパーコンティニューム光源は、SuperK VARIA チューナブル・スペクトルフィルタと組み合わせて、波長可変光源として利用できます。特に可視領域での高い出力を特長とする SuperKシリーズは、ペロブスカイト（perovskite）研究におけるチューナブル励起光源に最適です。
ペロブスカイトの利点の1つは、スピンコーティングなどの低温プロセスで一般的な塩から簡単に製造が可能で、インクにしてフレキシブル基板に印刷しフレキシブル太陽電池を形成できることです。 別の利点は、ペロブスカイトがシリコンよりも効率的に太陽の波長を吸収するように設計できることです。
ペロブスカイトは、ペロブスカイト結晶構造を持つ膨大な数の化合物です。 一般的な化学式はABX3で、AとBは陽イオン、Xは陰イオンです。
しかし、ペロブスカイト太陽電池は、スケーリング、効率、安定性、寿命の改善、効率向上のための欠陥の不活性化など、多くの研究が必要でとされています。今日、結晶シリコンで作られた太陽電池は、25%を超える効率を誇っており、ペロブスカイト太陽電池は、2012年の13％から、すでに20％を超えています。
図1: 太陽電池の電力変換効率。Ossila社提供。
レーザーはすでに日常的に、光がペロブスカイトとどのように相互作用するかを、スペクトル的にも動的にも、マイクロメートル単位で調べるために使用されています。従来の光源と比較して、レーザーは、ペロブスカイト研究におけるブレークスルーの流れを継続するために必要な詳細な分析を可能にします。A、B、Xの最適な組成を見つけることが、今日の課題のひとつです。
広帯域スーパーコンティニュームレーザーを用いた効率的マッピング
ペロブスカイト結晶が太陽スペクトルのさまざまな波長をどれだけ効率よく吸収できるかを知ることは、非常に重要なことでです。NKT Photonicsの白色光レーザーSuperKとSuperK VARIAフィルターは、太陽スペクトル全域の物質を調べるために必要な広いスペクトルを提供します。
ピコ秒パルス光源による構造特性の理解
試料の均一性や欠陥などの構造的な特性は、材料の限界を理解するのに役立ちます。ここでは、ハイパースペクトルイメージングと励起子拡散マッピングが役立ちます。SuperK白色光レーザーのスペクトルおよびピコ秒パルス特性は、スペクトルデータと時間データの同時取得をサポートします。
SuperKレーザーの独自の特性により、可視および近赤外スペクトルの任意の波長でピコ秒パルス源を使用できます。単一光子検出器と組み合わせることで、励起子の寿命と拡散長をミクロン単位でマッピングすることができ、SuperKテクノロジーの汎用性によってのみ達成可能な励起子のダイナミクスと欠陥密度を明らかにすることができます。
NKT Photonics社のSuperKレーザーとチューナブルフィルターを使用したペロブスカイト研究者の例
ルートヴィヒ・マクシミリアン大学アーバン教授のナノ分光法グループ
アーバン教授のグループは、図2の設定を使用して、励起子の寿命を測定しました。
SuperKレーザー、分光計、高速単一光子検出器（APD）の組み合わせにより、スペクトルおよび寿命の情報を取得することが可能になりました。高出力により、高吸収材料からのｙほり高速な取得が可能となりました。
標準の太陽スペクトル（ASTM G-173-03など）にできるだけ近づけるには、短いカットイン波長が必須であり、SuperKFIU-15またはEXU-6によって実現可能であることは明らかでした。
アーバン教授のグループは、励起子の拡散長の測定を可能にするために、図2のセットアップにカメラを追加しました。図3を参照してください。
FOM研究所AMOLFナノフォトニクスセンター サラ・ブリットマンとエリック・C・ガーネット
サラ・ブリットマンとエリック・C・ガーネットは、屈折率と吸収係数のイメージングを行っていました。 スーパーコンティニウムレーザーからの光は、音響光学チューナブルフィルター（SuperK SELECT AOTF）でフィルター処理され、ピエゾステージに取り付けられたサンプルに対物レンズで焦点を合わせました。
3つの光検出器が、AOTFをスキャンすることによって生成された各波長で、入射ビーム、透過ビーム、および反射ビームを測定しました。 レーザーの偏光を制御するために、半波長板が使用されました。 フリップミラー、レンズ、およびカメラを使用してサンプルを画像化し、結晶の位置を特定しました。
SuperKでは、以下の測定が可能です。
- ポンププローブ分光
- 屈折率
- 吸光係数イメージング
- フォトルミネッセンス
- 発光（励起子）寿命、多次元的
- 量子効率(IPCE vs QE); ソーラーシミュレーション
- 単一光子カウンティング
白色光レーザーSuperK、SuperK SELECT、SuperK VARIAを用いたペロブスカイト研究についての論文
- Nonradiative Energy Transfer between Thickness-Controlled Halide Perovskite Nanoplatelets by Andreas Singldinger, Moritz Gramlich, Christoph Gruber, Carola Lampe, and Alexander S. Urban published in ACS Energy Letters 0, 5. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00471.
- Measuring n and k at the Microscale in Single Crystals of CH3NH3PbBr3 Perovskite by Sarah Brittman and Erik C. Garnett, published in The Journal of Physical Chemistry C 2016 120 (1), 616-620. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b11075.
- Impact of Excess Lead Iodide on the Recombination Kinetics in Metal Halide Perovskites by Aboma Merdasa, Alexander Kiligaridis, Carolin Rehermann, Mojtaba Abdi-Jalebi, Jonas Stöber, Boris Louis, Marina Gerhard, Samuel D. Stranks, Eva L. Unger, and Ivan G. Scheblykin, published in ACS Energy Letters 2019 4 (6), 1370-1378. DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00774.
- Highly luminescent cesium lead halide perovskite nanocrystals with tunable composition and thickness by ultrasonication by Yu Tong, Eva Bladt, Meltem F. Aygüler, Aurora Manzi, Dr. Karolina Z. Milowska, Verena A. Hintermayr, Prof. Dr. Pable Docampo, Prof. Dr. Sara Bals, Dr. Alexander S. Urban, Dr. Lakshminarayana Polavarapu, and Prof. Dr. Jochen Feldmann, published in Angewandte Chemie International Edition 2016 55.44, 2016. DOI: 10.1002/anie.201605909.
- Polymer Nanoreactors Shield Perovskite Nanocrystals from Degradation by Verena A. Hintermayr, Carola Lampe, Maximilian Löw, Janina Roemer, Willem Vanderlinden, Moritz Gramlich, Anton X. Böhm, Cornelia Sattler, Bert Nickel, Theobald Lohmüller, and Alexander S. Urban published in Nano Letters 2019 19 (8), 4928-4933. DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00982.
