日本高能加速器研究机构物质构造科学研究所渺子科学研究系列的幸田章宏副教授、门野良典教授、平石雅俊特任助教和冈部博孝特任助教，与美国弗吉尼亚大学的研究生Katelyn A. Dagnall及Joshua J. Choi副教授和Seung-Hun Lee教授等人组成的研究团队，利用高强度质子加速器中心（J-PARC）物质生命科学实验设施（MLF）的通用μSR实验装置确认了，有望作为新一代太阳能电池材料使用的有机无机混合钙钛矿化合物的典型物质——碘化铅甲基铵（CH3NH3PbI3）的高光电转换效率与晶体中的有机分子运动之间存在着明显的相关性。
图：典型的有机无机混合钙钛矿CH3NH3PbI3的晶体结构。甲基铵（CH3NH3）存在于由铅和碘形成的攀爬架结构中，并进行旋转运动。(The crystal structure was drawn by VESTA.)
研究团队调查了碘化铅甲基铵的攀爬架结构和渺子极化率随着温度上升所发生的变化。渺子生成时自旋方向是相同的（极化率为100％），但受周围原子核的核磁矩产生的磁场影响，极化会松弛（衰减）。从弛豫率的温度变化来看，温度达到80K左右时弛豫率开始急剧下降。原因被认为是，甲基铵分子的旋转运动随着热激发而加快，导致分子中原子核的核磁矩产生的磁场变化加快，渺子的自旋无法追随这种变化松弛。从大约120K开始，弛豫率的下降暂时转为上升，到190K左右时再次开始下降。
已知这种物质的结构在162K时会由正交晶相变为正方晶，观测结果显示，由于甲基铵分子与晶格之间的摩擦增大，甲基铵分子的旋转加速暂时被抑制，而温度进一步升高后旋转速度再次加快。将这种渺子自旋弛豫率的温度变化与载流子寿命的温度变化进行比较发现，两者之间存在非常强的相关性。
由此确认，为了延长电荷载流子的寿命，将甲基铵分子的旋转控制在适当的速度上很重要。此次测量发现，温度上升至80K左右（远远低于晶格的晶体结构发生变化的162K）时，甲基铵分子的旋转开始被激活，载流子的寿命缩短。
由此明确了有机分子的旋转运动与载流子寿命的关系，这表明未来的研究有望延长载流子寿命，实现高效率化，是有助于提高太阳能电池性能的重要发现。
门野教授表示：“起初，我想象载流子的寿命延长的机制，是因为升温引起的结构相变消除了晶格应变，使得在低温变形的钙钛矿晶格中旋转运动受限的分子可以自由旋转。事实正好相反，此次发现分子的热旋转运动才是发生结构相变的原因，而这抑制了载流子的寿命延长。今后将研究通过改变分子形状抑制热旋转运动的材料，进一步验证载流子的长寿命与分子运动之间的关系。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
