本記事は MIT Newsとの協力により公開されたものです。
MITやその他の機関の研究者らは、太陽光から得られるエネルギーを大幅に高める方法を発見しました。この発見は、より優れた太陽電池や光検出器につながる可能性があります。
この新たなアプローチは、予想外の量子効果により、「電子」と「正孔」と呼ばれる電荷キャリアの数が増えることを発見したことに基づいています。これらは、異なる波長の光の光子が、高屈折率誘電体として知られる特殊な種類の酸化物材料でコーティングされた金属表面に当たった際に叩き出されるものです。光子は表面プラズモン、すなわち吸収された光子と同じ周波数で振動する電子の雲を生み出します
この驚くべき発見は今週、学術誌 Physical Review Letters に掲載されました。執筆者には、MITの機械工学准教授Nicholas Fangとポスドクの Dafei Jin などが含まれます。研究チームは、酸化物でコーティングされた銀の薄板を用いました。この酸化物が、界面における原子の分極へと光エネルギーを変換します。
「私たちの研究は驚くべき事実を明らかにしています。可視光の吸収は、電子が金属と誘電体の界面をどの程度越えて広がるかによって直接制御されているのです」とFang氏は述べています。この効果の強さは材料の誘電率に直接依存し、それは電流の通過をどれだけ遮断し、そのエネルギーを分極へと変換するかを示す指標だ、と同氏は付け加えます。
「これまでの研究では」とFang氏は述べ、「これは見過ごされてきたことでした」と語ります。
こうした材料で電子の生成量が増加することを示した従来の実験は、材料の欠陥によるものとされてきました。しかしFang氏は、それらの説明では「これほど薄い層の材料において、これほど広帯域の吸収が観測された理由を説明するには不十分だった」と述べています。同氏によれば、チームの実験は、この強い相互作用の説明として、新たに見出された量子ベースの効果を裏付けるものだとのことです。
チームは、金属表面に堆積させた誘電体材料（酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化チタンなど）の層の組成と厚さを変えることで、入射光子から金属内に電子と正孔の対を生成するために受け渡されるエネルギー量を制御できることを発見しました。これは、光のエネルギーを捉えるシステムの効率を示す指標です。さらに同チームによれば、このシステムは幅広い波長、すなわち色の光を吸収することも可能にしたとのことです。
この現象は、関係する材料がすでに工業規模で広く使用されているため、有用なデバイスへの応用が比較的容易なはずだとFang氏は述べています。「これらの酸化物材料は、より優れたトランジスタの製造に人々が使っているまさにその種類のものです」と同氏は語り、これらは今後、より優れた太陽電池や超高速光検出器を生み出すために活用される可能性があるとしています。
「誘電体層を加えることは、光を活用する効率の向上において驚くほど効果的です」とFang氏は述べています。さらに、この原理に基づく太陽電池は非常に薄くなるため、従来のシリコン電池よりも使用する材料が少なくて済むと同氏は付け加えます。
広帯域応答性があるため、こうしたシステムは入射光に対してもはるかに速く反応します」とFang氏は説明します。「現在の光検出器が捉えられるよりも短いパルスとして、信号を受信または検出できる」と。さらにこれは新たな「li-fi」システムにつながる可能性もあると同氏は示唆し、光を使って高速データを送受信するものだとしています。
本研究に関与していないデンマーク工科大学（Danish Technical University）の教授N. Asger Mortensen氏は、この発見について「量子プラズモニクスに対する我々の理解に重大な意味をもたらす。MITの研究は……金属表面付近でプラズモンが電子-正孔対への増強された減衰を受ける仕組みを、まさに明確に示している」と述べています。
「これらの量子効果を探ることは、理論面でも実験面でも非常に困難であり、量子補正に基づく増強された吸収のこの発見は、重要な飛躍を表すものです」とMaiken Mikkelsen氏は付け加えます。同氏は物理学の助教授で、
デューク大学に所属し、同様に本研究には関与していません。「ナノ材料の量子特性を活用することが、将来の技術的ブレークスルーを必ずや生み出すことは疑いの余地がないと思います。」
チームには、MITのポスドクQing Hu、大学院生Yingyi Yang、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のDaniel Neuhauser、ハーバード大学のFelix von CubeおよびDavid Bell、オークリッジ国立研究所のRitesh Sachan、サンディア国立研究所のTing Lukも含まれていました。本研究は全米科学財団および米空軍科学研究局の支援を受けました。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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著者：David L. Chandlerは、MITニュース事務局に所属しています。
画像：太陽で発生した中程度の太陽フレアを放出する活動領域。REUTERS/NASA/SDO/Handout via Reuters.
