ユニーク＆エキサイティング研究探訪
【No.19】　2012年11月　掲載
次世代太陽電池の光電変換メカニズムを探る

情報理工学研究科先進理工学専攻の沈青助教らの共同研究グループは、次世代の超高効率太陽電池として期待される「量子ドット太陽電池」が太陽光を吸収して複数の電子・正孔対を発生させる様子を初めて詳細に観測しました。量子ドット太陽電池の効率を高める手掛かりとなる研究成果です。なお共同研究グループには、先進理工学専攻の豊田太郎特命教授、中央大学理工学部の片山建二教授、科学技術振興機構（JST）の澤田嗣郎博士らが参加しています。本研究は、JST戦略的創造研究推進事業（さきがけ）の一環として実施されています。

太陽電池とは何か

太陽電池とは、太陽光のエネルギーを電気のエネルギー（電力）に変換する発電デバイスです。太陽電池の材料にはふつう、半導体が使われます。半導体が光を吸収すると、マイナスの電荷を持つ電子と、プラスの電荷を持つ正孔（せいこう）のペア（対）が発生します。この電子・正孔対を外部に取り出すことで、電池として利用できます。腕時計や卓上電子計算機（電卓）などの比較的小さな電力を取り出す用途に太陽電池は普及しています。また最近では、地球温暖化問題やエネルギー資源問題などから、オフィスや工場、住宅などの電力を賄う電力用太陽光発電に注目が集まっています。太陽光エネルギーは無尽蔵で安全であり、環境に優しいエネルギーだからです。

このため最近では、ビルディングの壁面や屋上、工場や住宅の屋根などで太陽電池パネル（数多くの太陽電池を収納した、板状のモジュール）を目にする機会が増えてきました。これらの太陽電池が、電力用太陽電池です。より多くの太陽光エネルギーを有効に活用する動きが、あちこちで活発になっています。

太陽電池開発の現状

第3世代太陽電池への期待

太陽電池の性能を示す代表的な数値に「変換効率」があります。第1世代と第2世代の太陽電池の変換効率は理論値で28％です。言い換えると、太陽光エネルギーの72％は電力エネルギーとならずに、捨てられているということです。

この捨てられるエネルギーを少しでも減らすために、変換効率が理論値で40％以上と高い太陽電池が研究されています。これが次世代太陽電池、具体的には「第3世代」と呼ばれる太陽電池です。「量子ドット太陽電池」も「第3世代」の太陽電池です。従来の太陽電池よりもはるかに高い変換効率を理論的に実現できる太陽電池として、研究開発が活発になってきました。

量子ドットと太陽電池応用

ところで「量子ドット」とは何でしょうか。量子ドットとは、直径が数nm（ナノメートル：100万分の1ミリ）の半導体の球あるいは立方体のような3次元構造に電子を閉じ込めた構造を指します。厳密にはマイナスの電荷を持つ電子と、プラスの電荷を持つ正孔（せいこう）の両方のキャリアを閉じ込められる、微細な3次元構造になります。

多重励起子生成（MEG）の過程を初めて観測

多重励起子生成（MEG）を利用した太陽電池開発の課題は、MEGの発生から完了までの過程がきわめて短い時間内に起こるということです。MEGは数ps（ピコ秒：1,000億分の1秒）オーダーの時間内で発現するので、これまでの測定手法では直接、MEGの発現する様子を測定することができませんでした。MEG発現以降の観測結果から、MEGの発現を推定するといった状況でした。

量子ドット太陽電池の開発を加速

大きな可能性を秘めた量子ドット太陽電池ですが、現在のところ、既存の太陽電池を超えるような変換効率は実現できていません。およそ4％から5％と低い値にとどまっています。ただし、数年前にはわずか1％しかなかったことから考えると、変換効率は急速に上がってきたともいえます。

MEGを利用できれば、量子ドット太陽電池の変換効率は飛躍的に高まるでしょう。そのためにはMEGの発現メカニズムの解明がきわめて重要です。沈助教らの研究成果は、MEGの発現メカニズムの解明と量子ドット太陽電池の効率向上に今後、大きく寄与すると期待されます。