日本高能加速器研究機構物質構造科學研究所渺子科學研究系列的幸田章宏副教授、門野良典教授、平石雅俊特任助教和岡部博孝特任助教，與美國弗吉尼亞大學的研究生Katelyn A. Dagnall及Joshua J. Choi副教授和Seung-Hun Lee教授等人組成的研究團隊，利用高強度質子加速器中心（J-PARC）物質生命科學實驗設施（MLF）的通用的μSR實驗裝置應答了，有望作爲新一代太陽能電池材料使用的有機無機混合鈣鈦礦化合物的典型物質——碘化鉛甲基銨（CH3NH3PbI3）的高光電轉化效率與晶體中的有機分子運動之間存在着明顯的相關。
圖：典型的有機無機混合鈣鈦礦CH3NH3PbI3的晶體結構。甲基銨（CH3NH3）存在於由鉛和碘形成的攀爬架結構中，並進行旋轉運動。(The crystal structure was drawn by VESTA.)
研究團隊調查了碘化鉛甲基銨的攀爬架結構和渺子極化率隨着溫度擧升所發生的變化。渺子生成時自旋方向是相同的（極化率爲100％），但受周圍原子核的核磁矩產生的磁場影響，極化會鬆弛（衰減）。從弛豫率的溫度變化來看，溫度達到80K左右時弛豫率開始急劇下降。終極因數被認爲是，甲基銨分子的旋轉運動隨着熱激發而加快，導致分子中原子核的核磁矩產生的磁場變化加快，渺子的自旋無法追隨這種變化鬆弛。從大約120K開始，弛豫率的下降暫時轉爲擧升，到190K左右時再次開始下降。
已知這種物質的結構在162K時會由正交晶相變爲正方晶，觀測結果顯示，由於甲基銨分子與晶格之間的摩擦增大，甲基銨分子的旋轉加速暫時被抑制，而溫度進一步升高後旋轉速度再次加快。將這種渺子自旋弛豫率的溫度變化與載流子壽命的溫度變化進行比較發現，兩者之間存在非常強的相關。
由此應答，爲了延長電荷載流子的壽命，將甲基銨分子的旋轉控制在適當的速度上很重要。此次測量發現，溫度擧升至80K左右（遠遠低於晶格的晶體結構發生變化的162K）時，甲基銨分子的旋轉開始被激活，載流子的壽命縮短。
由此明確了有機分子的旋轉運動與載流子壽命的關係，這表明未來的研究有望延長載流子壽命，實施高效率化，是有助於提高太陽能電池性能的重要發現。
門野教授表示：「起初，我想像載流子的壽命延長的機制，是因爲升溫引起的結構性相變消除了晶格應變，使得在低溫變形的鈣鈦礦晶格中旋轉運動受限的分子可以自由轉動。事實正好相反，此次發現分子的熱旋轉運動才是發生結構性相變的終極因數，而這抑制了載流子的壽命延長。今後將研究透過改變分子形狀抑制熱旋轉運動的材料，進一步驗證載流子的長壽命與分子運動之間的關係。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
