Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

よりクリーンなエネルギーの探求は、長らく、太陽光を捉えて驚異的な効率で電気に変換できる材料に焦点を当ててきました。最も有望な候補の一つは、ペロブスカイトとして知られる結晶の一族であり、これらは近年、太陽光発電の分野に革命をもたらしました。これらの材料は、光を強力に吸収し、電荷を素早く移動させることを可能にする特定の原子配列から構成されています。長年、これらの結晶の中で最も効果的なバージョンは鉛に依存してきました。鉛はその性能を極めて高くしますが、同時に深刻な問題も引き起こします。すなわち、鉛は毒性があるということです。それは人間の健康や環境に重大なリスクをもたらし、神経系や臓器に影響を及ぼし、土壌や水に蓄積する可能性があります。これは科学者たちに困難なジレンマを突きつけています。すなわち、いかにしてこれらの太陽光材料の高い性能を維持しながら、危険な要素である鉛を取り除くかという課題です。

2026年8月に発表された研究の中で、インドのジャミア・ミリア・イスラミア大学のハサン・アッバス氏とジシャン・H・カーン氏は、標準的な鉛ベースの結晶と、新しい鉛フリーの代替品を比較することで、この課題に取り組みました。彼らは実験室で2つの特定の材料を作ることを目的としました。一つは、鉛を含むよく知られたメチルアンモニウム・ヨウ化鉛であり、もう一つは、鉛をより安全な元素であるビスマスに置き換えたメチルアンモニウム・ヨウ化ビスマスと呼ばれる新しい化合物です。研究チームは単に化学物質を混ぜたのではありません。彼らはガラス板の上にこれらの材料の薄膜を注意深く成長させ、その後、それらがどのように構築され、光とどのように相互作用するかを確認するために、一連のテストを実施しました。彼らの目標は、より安全なビスマス版が、実世界のソーラーパネルで使用されることを妨げるような形で、構造的な品質や光吸収能力において標準的な鉛版に及ばないのか、あるいはそれに匹ดับできるのかを理解することでした。

研究者たちはまず、原料を溶媒に溶かして乾燥させて固体膜を形成するプロセスである、液相溶液法を用いて両方の材料を合成することから始めました。膜が作成されると、彼らは強力な顕微鏡を用いて、それらが微小なスケールでどのように見えるかを調べました。画像からは、鉛フリーのビスマス膜が非常に滑らかで緻密であり、鉛ベースのバージョンに時折見られるような小さな穴や隙間がないことが明らかになりました。また、ビスマスの結晶は、鉛の対照物よりもわずかに大きな構造を形成していました。チームがX線回折（結晶構造を明らかにする技術）を用いて原子の内部配列を調べたところ、ビスマス材料は実際には鉛の材料よりも秩序立っており、均一であることが分かりました。この高い秩序度は、鉛フリーの膜が非常に高品質であり、物理的な構造という点では、伝統的な鉛バージョンよりもさえ優れている可能性があることを示唆していました。

次に、チームはこれらの材料がどのように光を扱うかに注目しました。これはソーラーセルにとって最も重要な要素です。彼らは、紫外から赤外まで幅広い色の光を照射し、どれだけの光が吸収され、どれだけの光が透過するかを調べました。結果は、両方の材料が光を捉えることに非常に優れていることを示しましたが、その方法はわずかに異なっていました。鉛ベースの材料は波長760ナノメートルで最も強く光を吸収しましたが、ビスマス材料は53子ナノメートルでピークに達しました。鉛のバージョンは、可視スペクトルのより広い範囲を吸収することができ、これは発電における主要な利点です。研究者たちは光が材料内をどのように伝わるかを計算し、鉛フリーの膜はより均一であり、光を散乱させる可能性のある欠陥が少ないことを発見しました。この均一性は、顕微鏡画像で見られた滑らかな表面と相まって、ビスマス材料が非常に一貫した内部構造を持っていることを示していました。

おそらく最も重要な発見は、エネルギーギャップ、すなわち電子を自由に動かし電流を運ぶために必要な特定のエネルギー量に関するものでした。鉛ベースの材料は1.65電子ボルトのエネルギーギャップを持っており、この値は単層ソーラーセルの理論的理想に非常に近いものです。このほぼ完璧な一致が、鉛ベースのペロブスカイトが太陽光を電力に変換する上で成功してきた理由を説明しています。対照的に、鉛フリーのビスマス材料は、2.23電子ボルトというより広いエネルギーギャップを持っていました。この値は依然として有用ではありますが、これは材料が太陽光スペクトルの異なる部分を吸収することを意味し、鉛のバージョンと比較して、太陽光の全範囲を捉える効率が低いことを意味します。研究では、光を吸収した後に光を放出するプロセスであるフォトルミネセンスについても調査しました。鉛の材料は波長760ナノメートルで光を放ちましたが、ビスマス材料は590ナノメートルで光を放ち、エネルギーギャップの違いを裏付けました。

最終的に、この研究は、それぞれ異なる強みを持つ2つの材料の姿を描き出しています。鉛フリーのビスマス・ペロブスカイトは、多くの点で構造的に優れており、鉛のバージョンよりも滑らかで均一な膜を、より少ない欠陥で形成しました。また、鉛が持つ危険な毒性の問題もありません。しかし、鉛ベースの材料は、決定的な利点を保持しています。そのエネルギーギャップはソーラーパワーの理想に近く、太陽光からより多くのエネルギーを収穫することを可能にしています。研究者たちは、鉛フリーの選択肢は大きな有望性を示し、より優れた形態学的特性を提供しているものの、その性能を鉛ベースのライバルの効率に近づけるためには、さらなる最適化が必要であると結論付けました。この研究は、今後の道筋は、これらのより安全な材料を、例えばその組成を微調整することによって、毒性はあるが非常に効率的な鉛の結晶が設定した高い基準に性能を近づけていくことにあることを示唆しています。