従来のシリコン系太陽電池には、全体の効率に絶対的な上限がある。その一因は、光子1個が、たとえその光子が必要量の2倍のエネルギーを持っていたとしても、電子を1個しか叩き出せないことにある。しかし今回、研究者らは、シリコンに当たる高エネルギーの光子に電子を1個ではなく2個叩き出させる方法を実証した。これにより、従来考えられていた以上の効率をもつ新しい種類の太陽電池への道が開かれた。
従来のシリコン電池の理論上の絶対的な最大効率は、太陽エネルギーの変換率で約29.1%である。一方、ここ数年にわたりMITなどの研究者が開発した新たな手法は、その限界を突破し、最大出力を数パーセントポイント押し上げる可能性がある。この研究結果は本日、学術誌「Nature」に掲載された。論文の執筆者は、大学院生のMarkus Einzinger氏、化学教授のMoungi Bawendi氏、電気工学・コンピュータ科学教授のMarc Baldo氏、ならびにMITおよびプリンストン大学のほか8名である。
この新技術の基本概念は数十年前から知られていた。この原理が機能しうることを初めて実証したのは、このチームの一部のメンバーで、6年前のことである。しかし、この手法を実用的で稼働可能なシリコン太陽電池へと実際に組み込むには、数年にわたる困難な作業が必要だったとBaldo氏は語る。
その最初の実証は、この考えが機能しうることを示す「良い試験的プラットフォーム」であったと、Daniel Congreve博士（2015年取得）は説明する。同氏はハーバード大学のRowland Instituteに現在在籍する卒業生で、前回の報告の筆頭著者であり、今回の新論文の共著者でもある。今回の新たな成果により、同氏によれば、このプロジェクトにおいて「当初の目標を達成した」という。
最初の研究では、1個の光子から2個の電子を生成することが実証されたが、その際に用いられたのは有機太陽電池であり、シリコン太陽電池よりも効率が低い。その後、テトラセンで作られた上部集電層から、2個の電子をシリコン電池へ移すことは「簡単ではない」ことが判明したとBaldo氏は述べる。当初の研究チームの一員であったMITの化学教授Troy Van Voorhis氏は、この概念が最初に提唱されたのは1970年代に遡ると指摘し、この考えを実用的なデバイスにするのに「40年かかった」と皮肉交じりに語る。
1個のエネルギーを2個の電子に分割する鍵は、「励起状態」と呼ばれるエキシトンを持つ一群の材料にある、とBaldo氏は説明する。こうしたエキシトン性材料では、「エネルギーのかたまりが回路の電子のように伝わっていく」が、その性質は電子とはかなり異なる。「エネルギーを変換するために使える。半分に切ることも、組み合わせることもできる」。今回の場合、研究チームは一重項エキシトン分裂と呼ばれるプロセスを経ていた。これは、光のエネルギーが、互いに独立して移動する2つの別々のエネルギーのかたまりに分けられる過程である。材料はまず光子を吸収し、エキシトンを形成する。そのエキシトンは速やかに分裂して2つの励起状態となり、それぞれが元の状態の半分のエネルギーを持つ。
しかし難しかったのは、そのエネルギーを、エキシトン性を持たないシリコンへ結合させることだった。この結合は、これまで一度も実現されたことがなかった。
中間段階として、研究チームはエキシトン層からのエネルギーを量子ドットと呼ばれる材料に結合させることを試みた。「それらはなおエキシトン性を持つが、無機物である」とBaldo氏は語る。「それはうまくいった。まさに見事に機能した」と同氏は言う。その材料内で起きている仕組みを理解したことで、「シリコンでも機能しない理由はないと考えた」という。
Van Voorhis氏によれば、この研究で明らかになったのは、これらのエネルギー移動の鍵が、材料のバルクではなく、その表面そのものにあるということである。「そのため、シリコン表面の化学的性質が重要になることは明らかだった。それが、どのような表面状態が存在するかを決めることになるからだ」。表面化学へのこの着目が、このチームが他の研究者が成功しなかった中で成功できた理由かもしれないと同氏は示唆する。
鍵は薄い中間層にあった。「結局のところ、この2つのシステム（シリコン太陽電池と、エキシトン特性を持つテトラセン層）の界面にある、この非常に小さな材料の帯が、すべてを決定づけていたことがわかった。だから他の研究者はこのプロセスを機能させられず、われわれは最終的にそれを成功させられたのだ」。最終的にこの難題を解いたのはEinzinger氏で、ハフニウムオキシ窒化物と呼ばれる材料の層を用いたことによるものだと同氏は語る。
この層はわずか数原子分の厚さ、すなわち8オングストローム（100億分の1メートル）にすぎないが、励起状態にとって「良い橋渡し」として機能したとBaldo氏は語る。これにより、高エネルギーの単一の光子が、シリコン電池内で2個の電子の放出を引き起こすことが、ついに可能になった。その結果、青色および緑色の波長域の太陽光が生み出すエネルギー量が2倍になる。全体として、太陽電池の出力は、理論上の最大値である29.1%から、約35%の最大値まで増加しうるという。
実際のシリコン電池はまだ最大効率に達しておらず、新材料もそうである。そのため、さらなる開発が必要だが、2つの材料を効率よく結合させるという決定的な段階は、すでに実証された。「このプロセスに向けてシリコン電池をなお最適化する必要がある」とBaldo氏は語る。ひとつには、新しいシステムでは、これらの電池を現行版よりも薄くできる。耐久性のために材料を安定化させる作業も必要である。全体として、商用化はおそらくあと数年先になるとチームは述べている。
太陽電池の効率を改善する他のアプローチは、ペロブスカイト層のような別の種類の電池をシリコンの上に加えることが多い。Baldo氏は、「それらは、ある電池を別の電池の上に重ねて作っている。根本的には、われわれは1つの電池を作っている。いわばシリコン電池をターボチャージしているのだ。2つの電池を作るのではなく、シリコンに電流を追加しているのである」と語る。
研究者らは、ハフニウムオキシ窒化物が、エキシトンのエネルギーを移動させるのを助ける特別な性質を測定した。「ハフニウムオキシ窒化物は、界面で追加の電荷を生成することがわかっており、これは電界パッシベーションと呼ばれるプロセスによって損失を減らす。この現象をより良く制御できれば、効率はさらに高まるかもしれない」とEinzinger氏は述べる。現時点では、これまでに試験した他の材料で、その性質に匹敵するものはない。
この研究は、米国エネルギー省が資金を提供するMITのExcitonics Centerの一環として支援を受けた。
