エネルギー
LED とレーザー – ペロブスカイトに関する新たな理解が性能指標を覆す可能性
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科学者たちはペロブスカイトをより深く研究し、この材料をよりよく理解しようとしています。ペロブスカイトは電子機器、エネルギー貯蔵、レーザー、光エレクトロニクス、グルコースセンサーなど、幅広い用途があります。しかし、実際には何なのでしょうか？
ペロブスカイトはカルシウム、チタン、酸素からなる自然鉱物で、結晶構造は CaTiO₃、または化学式 ABX₃ です。1839 年にロシアで初めて発見されました。鉱物ペロブスカイトと同じ結晶構造を持つ材料群は、ペロブスカイト材料としても知られています。
出典: Fabre Minerals
ペロブスカイトは、強誘電性、誘電性、圧電性、熱電性といった優れた物理特性や、触媒活性や酸素輸送能力といった化学特性を持ち、材料科学における最も重要な構造クラスの一つです。このため、燃料電池、メモリーデバイス、光起電力（フォトボルタイクス）への応用が期待されています。
ペロブスカイトは太陽光を電気に変換する太陽電池にも利用でき、クリーンエネルギーの獲得や有機汚染物質の分解にも活用できます。
ペロブスカイトがさまざまな産業の発展に寄与できる可能性があることから、科学者がその理解を深めようとするのは当然です。
原子レベルでペロブスカイトを理解し、より良い制御を実現する
ノースカロライナ州立大学の研究者は、米国国立科学財団の支援を受け、分子レベルでの研究により層状ハイブリッドペロブスカイト（LHP）を作成する方法を発見しました。
この画期的な手法により、LHP の発光特性を前例のないほど制御でき、レーザーや LED 技術の大幅な進歩が期待されます。また、光起電力デバイスに使用する他の材料の設計にも有望です。
層状ハイブリッドペロブスカイト（LHP）は、研究によると、次世代のエネルギーおよび光子応用に有望な半導体として浮上しています。ここでは、量子井戸（QW）の分布、サイズ、配向を制御することが極めて重要です。
LHP は、非常に薄いペロブスカイト半導体シートで構成されており、これらのシートは薄い有機「スペーサー」層で互いに分離されています。
これらの薄いペロブスカイトシートと「スペーサー」層の複数層からなる薄膜は、電荷を効率的に光に変換できるため、長年研究コミュニティの大きな関心を集めてきました。しかし、性能特性を制御するためのエンジニアリング方法については、まだ十分に理解されていません。
それらを理解するには、まず量子井戸から始める必要があります。量子井戸は、半導体材料のシートが「スペーサー」層の間に挟まれた構造です。
これらは LHP 内で形成される層です。また、2 原子厚の量子井戸は、5 原子厚のものよりエネルギーが高くなります。
分子レベルではエネルギーは高エネルギー構造から低エネルギー構造へ流れるため、2 原子厚と5 原子厚の量子井戸の間に、3 原子厚および4 原子厚の量子井戸を配置し、エネルギーが効率的に流れるようにする必要があります。
“基本的には、エネルギーが段階的に降りていけるような緩やかな勾配を持たせたいのです。”
– Kenan Gundogdu, 論文の共同著者で NC State の物理学教授
しかし、LHP を研究する際に人々はある異常に直面し続けました。その異常とは、X 線回折で観測される LHP 試料中の量子井戸のサイズ分布が、光分光法で検出されるものと異なることです。
論文の責任著者で NC State 大学の材料科学・工学教授である Aram Amassian は、回折が量子井戸が 2 原子厚で 3 次元バルク結晶の一部であることを示す一方、分光法は量子井戸が 2、3、4 原子厚であり、さらに三次元バルク相が存在することを明らかにすると説明しました。
そこで、チームは答えを探し始めました: なぜこの二つの結果が食い違うのか、そして LHP における量子井戸のサイズと分布をどのように制御できるのか？
実験を通じて、チームはナノプレートレット（NPL）が鍵であることを発見しました。NPL は、研究者が LHP を作成する際に使用した溶液の表面に自発的に形成されるペロブスカイト材料の個別シートです。
「これらのナノプレートレットは、下に形成される層状材料のテンプレートとして機能していることが分かりました」と Amassian は述べ、ナノプレートレットの原子厚さがその下の LHP の厚さを決定すると指摘しました。
しかし、ナノプレートレットは安定せず、時間とともに厚さが増し、原子層が新たに付加され続けます。
“最終的に、ナノプレートレットは非常に厚く成長し、三次元結晶になる”
– Amassian
したがって、異常は回折がシートの積層は検出するがナノプレートレットは検出せず、光分光法が単離したシートを検出することに起因しています。彼は付け加えました:
“興奮すべきは、ナノプレートレットの成長を制御された方法で実質的に止めることができ、LHP 薄膜中の量子井戸のサイズと分布を調整できることが分かったことです。”
このようにして、研究者は優れたエネルギーカスケードを実現でき、これが高い再現性、低しきい値、常温での光安定性に不可欠です。
これは、材料が電荷とエネルギーを迅速かつ高効率に導くことを意味し、レーザーや LED の用途に適しています。
ナノプレートレットが LHP のペロブスカイト層形成に重要な役割を果たすことから、研究者は NPL を利用して他のペロブスカイト材料、例えば太陽電池やその他の光起電力技術における構造と特性をエンジニアリングできないかと検討しました。
“ナノプレートレットは他のペロブスカイト材料でも同様の役割を果たし、望ましい構造を強化し、光起電力性能と安定性を向上させるためにそれらの材料をエンジニアリングできることが分かりました。”
– Milad Abolhasani, 共同著者で NC State の化学・生体分子工学 ALCOA 教授
このようにして、チームは NPL を活用し、3 次元ペロブスカイトの結晶面配向を制御し、広帯域ギャップ太陽電池の安定性と効率を向上させました。
コンピュータシミュレーションを活用したペロブスカイトの詳細な洞察
太陽電池、または 光起電力（PV）セル は、環境上の利点により大きな人気を集めています。太陽エネルギーはクリーンで再生可能であり、温室効果ガスを排出しません。また、太陽光は無限に利用可能で、太陽電池で容易に利用できます。
さらに、コストは 2010 年以降最大で 70% も大幅に低下し、手頃な価格となっています。技術の進歩により、性能と寿命もさらに向上しています。
このような背景から、世界の太陽電池市場は今後 10 年で $730.74 億 に達すると予測されています。
太陽電池は基本的に太陽光を直接電気に変換する装置です。そのためにシリコンなどの材料が使用されますが、科学者はより効率的で安定した材料を求めており、ペロブスカイトは有望な代替材料と見なされています。
科学者はペロブスカイト太陽電池技術に長らく取り組んできており、進歩により効率記録を更新しています。太陽電池では、ペロブスカイトがシリコンと協働し、太陽スペクトルのより多くを利用して、セルあたりの発電量を増やします。
現在、スウェーデンのチャルマーズ工科大学の研究者は、コンピュータシミュレーションと機械学習を活用し、ペロブスカイト材料がどのように機能するかについて新たな洞察を得て、効率的で安定した光エレクトロニクスデバイスの設計に役立てています。
機械学習は科学界で急速に注目を集めており、研究者は従来の手法では不可能だった大規模な系を長期間にわたって研究できるようになっています。
そこで、研究チームは 3 次元よりも安定性の高い 2 次元ペロブスカイト材料のシリーズを調査しました。
彼らはコンピュータシミュレーションで材料をマッピングし、さまざまなシナリオにさらすことで、実験結果を導く正確な要因を詳細に把握しました。この手法により、非常に薄い層では各層が異なる挙動を示すため、実験的に検出が極めて困難な点を包括的かつ詳細に把握できました。
研究チームのメンバーであるポール・エルハート教授は、”2 次元ペロブスカイトがどのように機能するかについて、はるかに深い洞察を得ることができた” と述べました。
2 次元ペロブスカイト材料では、無機層が互いに積み重なり、有機分子で分離されています。
“私たちが発見したのは、有機リンク剤の選択により表面層の原子の動きを直接制御でき、これがペロブスカイト層内部の原子運動に影響を与えるということです。この動きは光学特性に極めて重要で、ドミノ効果のようなものです。”
– Paul Erhart
共同著者によれば、この重要な洞察は 2 次元ペロブスカイト材料の安定性の起源を理解する機会を提供します。
“（これにより）どのリンク剤とサイズが材料を同時により安定かつ効率的にできるかを予測できる”
– 共同著者 Julia Wiktor
次のステップでは、チームは「さらに複雑なシステム、特にデバイス機能に不可欠なインターフェース」へと進むと、ウィクトルは付け加えました。
レーザーおよび LED 技術の進歩
ペロブスカイトは、太陽電池によるクリーンエネルギー生成、光検出器やセンサーなどの光エレクトロニクスデバイス、メモリーデバイスなど、複数のハイテク分野での広大な可能性により、多くの開発が進められています。
さらに重要なのは、ペロブスカイト材料の理解と LHP の研究が次世代レーザー装置のゲームチェンジャーとなり得ることです。これらの装置では、精度と効率が最も重要であり、LED 技術はディスプレイ、照明、先進的な表示技術に影響を与えます。
これらの材料を微調整することで、光安定性が向上したより効率的なレーザーと、エネルギー消費を削減した高輝度 LED を実現できます。
急速に進化する技術の世界では、レーザーと LED は通信、医療機器、製造、エネルギー効率の高い照明など、多様な産業の基盤要素となっています。
要するに、これらの技術は現代社会との関わり方を変革しました。ペロブスカイトと量子井戸構造の最新のブレークスルーは、レーザーと LED 技術を前進させるために科学者が探求している多くの領域の一つに過ぎません。
以下は、レーザーおよび LED 技術における最近の進展です:
レーザーダイオードはコスト削減、光出力増大、ビーム距離向上、効率向上を約束します。これらの利点により、光データストレージの重要な部品となりつつあります。また、レーザーダイオードの小型化は自動運転車向け LiDAR システムの進歩にもつながっています。
一方、超高速レーザーはフェムト秒（10⁻¹⁵ 秒）領域のパルスを放出し、熱損傷を与えずに材料加工を正確に行えるため、医療手術や科学研究、特に分子・原子レベルの現象の研究にますます利用されています。
機械学習、AI、センサーを組み込むことで、より高度なレーザーが自律的に動作し、効率と精度が向上しています。
レーザーを利用した 3D プリントでは、レーザー光源で材料を選択的に融合し、複雑なオブジェクトを作成します。付加製造では、特にファイバーレーザーが高出力・高効率・長距離ビーム伝送の特性により人気を集めています。
レーザーはエッチングにもますます利用されており、ファイバー、CO₂、結晶、ダイオード、ダイオード励起固体レーザーなどが使用されています。ある研究では、フリンダーズ大学の研究者が低出力レーザーで表面を改質し、通常は高出力レーザーが必要なデータ保存に利用しました。
別の研究では、研究者が非磁性材料に高周波レーザー放射を照射し、常温で磁性効果を生み出すことを報告しました。これは、よりエネルギー効率が高く高速なコンピュータや電子機器の革命への道を開く可能性があります。
新しいレーザー装置は高度化し、リアルタイムで人の皮膚を分析できるようになりました。また、特定部位への精密な照射が可能です。泌尿器領域で最も注目されるホルミウム（YAG）レーザーは、最近 パルス変調技術 によって改良され、パルスモードと連続波モードの両方が利用可能になりました。
レーザーの進化により、マイクロレーザーも登場しました。これらは高いカスタマイズ性を持ち、強い光閉じ込めと光と物質の相互作用の強化を提供します。
LED の分野では、寿命が劇的に伸び、エネルギー節約に寄与しています。
LED 技術の応用は自動車照明で特に勢いを増しており、視認性、エネルギー効率、耐久性の向上が安全性を高めています。一方、街路灯では、LED がより明るい照明と大幅なエネルギー節約を提供しています。
ここで、ナノテクノロジーは LED 効率に大きな影響を与える可能性を示しています。量子ドットは極めて小さな結晶で、独自の特性により可視スペクトル全体に光を放出するよう調整でき、色の選択肢が増えます。QD-LED は色精度と輝度が向上し、テレビやモニターで広く採用されています。
従来の LED の小型版であるミニLED とマイクロLED は、ディスプレイの解像度向上、コントラスト向上、エネルギー効率向上を実現します。次世代テレビ、AR/VR デバイス、携帯電話に統合され、OLED に比べてはるかに高い輝度と 応答速度 を提供します。
LED にセンサーや接続機能を統合することで、研究者はユーザーの好みや環境条件に応じて明るさ、色、タイミングを調整する「スマート照明」システムも開発しています。
先駆ける企業
First Solar (FSLR ) は薄膜光起電力（PV）ソリューションに注力する太陽光技術のリーダーです。株価は $207.75、年初来上昇率 19.35%、時価総額は 220 億ドルです。2024年第2四半期の売上高は 10.1 億ドルで、純利益は 3.494 億ドルに倍増しました。当時、CEO の Mark Widmar は、太陽光企業は資金調達の制限に直面しており、投資家は政策が明確になるのを待って資金調達の意思決定を行っていると述べました。
FSLR 価格チャート
一方、Lumentum Holdings (LITE ) は通信、商業、産業用途向けレーザーの設計・製造に従事しています。この企業は時価総額 47 億ドルで、株価は $69.43、年初来上昇率 31.21% です。
LITE 価格チャート
次に、Acuity Brands, Inc. (AYI ) は LED 照明システムのリーダーです。時価総額は 93.8 億ドルで、株価は $305、年初来上昇率は 48.9% です。
AYI 価格チャート
Coherent, Inc.
COHR 価格チャート
レーザー技術分野の主要プレーヤーである Coherent は、材料加工、エレクトロニクス、バイオ医療など幅広い用途向けにレーザーを提供しています。同社の株価は今年 132% 超上昇し、現在 $105.10 で取引され、時価総額は 156 億ドルです。EPS（TTM）は -1.85、P/E（TTM）は -54.79 です。
2024 年 6 月 30 日で終了した会計年度の通期では、同社は 報告 で、売上高 13.14 億ドル、通期売上高 47.08 億ドル、GAAP 粗利益率はそれぞれ 32.9% と 30.9% でした。Rich Martucci 臨時 CFO によれば、成長は「主に当社の Datacom トランシーバー事業における AI 関連の継続的な強みが牽引した」ものです。
最近、同社は 導入 した新シリーズの高効率連続波（CW）分布帰還（DFB）レーザーは、業界標準より 15% 高い電力効率を提供するよう設計されています。これらのレーザーは AI 重視のデータセンターが必要とする帯域幅の増大に対応します。今年初め、Coherent はまた、薄膜太陽電池の超精密製造を可能にする HyperRapid NXT 産業用ピコ秒レーザーを 発売 しました。
結論
ペロブスカイト材料は、効率性、コスト効果、柔軟性、薄さ、搬送性、光吸収能力により極めて価値があります。そのため、急速に進展しているこれらの材料のより深い理解は、次世代レーザーおよび LED 技術の新たな可能性を切り開く助けとなります。
量子井戸の構造と挙動を制御することで、研究者はエネルギー転送の効率向上、安定性の向上、発光特性の強化への道をさらに切り開いています。これらのブレークスルーにより、ペロブスカイトはさまざまな産業におけるゲームチェンジャーとなり得ます。研究が進むにつれ、クリーンエネルギー、ディスプレイ技術、レーザー応用を革命的に変える可能性があり、材料科学の焦点となっています。
