硫化鉛量子ドットで作られた太陽電池は、将来的にはシリコン製のものより安価で柔軟な代替品となる可能性があるが、現時点では効率が大幅に低い。しかし、量子ドット太陽電池の化学組成を変えることで効率を高める調整が可能になると、MITの物理学大学院生パトリック・R・ブラウンは述べる。
「高効率技術から始めて、それを安くしようとするのではなく――現在シリコンで行っているのがまさにそれです――安価に作れると分かっているものから始めて、効率を高められるかどうかを確かめるのが私たちの計画です」とブラウンは説明する。
硫化鉛は豊富に存在し、鉱物の方鉛鉱として自然界に産出する。現在、世界では数週間のうちに、全世界の電力を賄う硫化鉛太陽電池を作るのに十分な鉛と硫黄が生産されていると、ブラウンは指摘する。テルル化カドミウムや銅・インジウム・ガリウム・二セレン化物（CIGS）など、シリコンに代わる他の材料は、より高価で希少な原料を使うという欠点がある。硫化鉛量子ドットには、有機ポリマーやペロブスカイトなど他の新興薄膜太陽電池技術と比べ、空気中で安定しているという利点もある。
「より高い効率を実現するために、この材料についてどの調整要素を動かせばよいのかを見極めようとしています」とブラウンは語る。
配位子がエネルギー準位を変える
量子ドットはナノスケールの結晶性半導体であり、その バンドギャップ はサイズによって変化する。バンドギャップによって、紫外光、可視光、赤外光を含む太陽光スペクトルのどの領域を量子ドット太陽電池が吸収し、電気に変換できるかが決まる。ブラウンがMIT教授の ウラジーミル・ブラボイッチ ら5人と最近行った共同研究では、量子ドットの表面に異なる有機分子、すなわち配位子を結合させることで、そのエネルギー準位を変えられることが実証された。ブラウンはブラボイッチの有機・ナノ構造電子工学研究室で、硫化鉛量子ドット太陽電池を作製し、研究した。
太陽電池内の半導体に太陽光が当たると、電子が強く束縛された基底状態から「価電子帯」の、より弱く束縛された状態へ励起されることがある。そこで電子は自由に動き、電流を生み出せる。ブラウンは、量子ドットの価電子帯にある電子の基底状態エネルギーに、異なる化学配位子が及ぼす影響を調べた。MIT教授 マーク・A・バルドの研究室で紫外光電子分光法として知られる手法を用い、ブラウンは12種類の異なる化学配位子で処理した硫化鉛量子ドット薄膜の電子特性の違いを測定した。その結果、これらの表面配位子は小さな電気双極子、つまりよく知られた棒磁石に相当する電気的なものとして働き、量子ドット内の電子のエネルギーに影響を与えうることが示された。
高効率設計を導く
「私たちの研究では、表面配位子を変えてもバンドギャップは同じままにでき、絶対エネルギー準位を変えられることを示しています」とブラウンは言う。量子ドットのサイズと表面化学の両方を調整できれば、高効率太陽電池、そして最終的には太陽光スペクトルをより多く吸収する多接合デバイスの設計につながる。「配位子を変えて量子ドットのエネルギー準位を調整できるため、デバイス内にエネルギー障壁がなく、電子がデバイスの外へ向かってエネルギー的に下る経路を確保できます」とブラウンは説明する。「こうした単純な化学プロセスで特性を調整できることが、これらの材料を際立たせ、太陽電池への利用に独自性と将来性をもたらします」とブラウンは述べる。
ブラウンとMITの材料科学大学院生キム・ドンフンは、 論文「配位子交換による硫化鉛量子ドット薄膜のエネルギー準位改変」の共同筆頭著者である。同論文は2014年6月に ACS Nano に掲載された。他の共著者は、MIT教授のウラジーミル・ブラボイッチ、ジェフリー・C・グロスマン、ムンギ・G・バウェンディ、ミシガン州立大学の化学工学・材料科学担当助教リチャード・R・ラント、香港中文大学の電子工学担当助教ニ・ジャオである。27歳のブラウンは物理学大学院生として6年目で、2015年中に博士号を取得する見込みだ。ノートルダム大学で物理学と化学の理学士号を取得した。ブラウンは全米科学財団フェローであり、ファニー・アンド・ジョン・ヘルツ財団フェローでもある。
キムは原子スケールのコンピューターシミュレーションを用いて、化学配位子と量子ドット表面との相互作用をモデル化した。シミュレーションは研究の重要な結果を説明し、配位子の電気双極子モーメントの違いが量子ドットのエネルギー準位の変化を引き起こすことを示した。「特定の配位子が量子ドット表面に結合する仕方にかかわらず、ドンフンのシミュレーションは、実験で測定した変化と一致するエネルギー準位のシフトを示しました」とブラウンは語る。
世界の需要を満たす
太陽光発電で世界のエネルギー需要の大部分を賄うには、数万平方キロメートルの太陽電池を設置する必要があると、ブラウンは言う。シリコン太陽電池は効率が高く、製造量が増えるにつれて安価になっているが、もろいため、比較的重いアルミニウムとガラスの剛性フレームで封入しなければならない。「量子ドットの要点は、薄いウェハーに切り分ける必要のある大きなシリコン結晶から始めるのではなく、直径約10ナノメートルの非常に小さな結晶から始め、それを溶液に溶かし、インクのように印刷できることです。つまり、剛性のあるガラス基板に縛られる代わりに、新聞を印刷するように、柔軟な基板に太陽電池を印刷したり吹き付けたりできるようになる可能性があります」とブラウンは言う。「シリコンウェハーでは実現できないのは、そうしたことです。」
もちろん、量子ドットにも欠点があり、それがこの技術がまだ市場に出ていない理由だ。「電子は、純粋で均一なシリコン結晶の中を移動する場合より、量子ドット間を移るのに苦労します。使用している材料は非常に安価ですが、電荷を移動させる難しさが太陽電池の低効率につながっています」とブラウンは述べる。たとえば、電子が量子ドットの表面に捕獲されることがある。「量子ドットの表面でどのような化学的工夫をすれば、そうしたトラップ状態をなくせるのかを解明したいと考えています」と彼は言う。
研究の長期的な目標は、調整可能な電子特性を利用して、柔軟で低コスト製造が可能な、より高効率の硫化鉛量子ドット太陽電池を作ることだとブラウンは述べる。
この記事は MITニュースとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが本記事の見解を支持することを意味するものではありません。
アジェンダの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：デニス・ペイステは、マサチューセッツ工科大学材料加工センターのサイエンスライターです。
画像：カリフォルニア大学の設置場所で、Concentrix Solar製の太陽追尾型太陽光パネルの試作機がエネルギーを集めている。ロイター／マイク・ブレイク。
