太陽光パネルの価格が下がり、より多くの電力を発電できるようになるにつれて、太陽エネルギーは商業的に実現可能性の高い代替電源となりつつあります。しかし、現在、太陽光を電気に変換するために使われている光起電力セルが吸収・利用できる光は、そのごく一部にすぎません。そのため、太陽エネルギーのかなりの部分が活用されずにいます。
カリフォルニア工科大学の研究者らが開発し、Science Expressの10月30日号にオンライン掲載された論文で説明された新技術は、これまで失われていたエネルギーを利用するための第一歩となります。
太陽光はさまざまな波長の光で構成されています。従来型の太陽光パネルでは、シリコン原子に太陽光が当たると、原子の最外殻電子が太陽光の一部の波長からエネルギーを吸収し、励起されます。励起された電子がシリコン原子から自由になるのに十分なエネルギーを吸収すると、物質内を独立して流れ、電気を生み出すことができます。これは光起電力効果と呼ばれ、太陽光パネルの光起電力セルで起こる現象です。
シリコン系の光起電力セルは、可視スペクトルに含まれる波長、つまり人の目に見える光を吸収できますが、赤外光などのより長い波長はシリコンを通過します。こうした波長の光はシリコンをそのまま通り抜け、電気に変換されません。赤外光の場合、通常は不要な熱として失われます。
「シリコンが吸収するのはスペクトルの一部だけで、残りに対しては透明です。屋根に太陽光発電モジュールを設置すると、シリコンはスペクトルのその部分を吸収し、その光の一部が電力に変換されます。しかし、残りは結局、屋根を熱くするだけです」と語るのは、研究を主導した ハリー・A・アトウォーターハワード・ヒューズ応用物理学・材料科学教授であり、 レスニック・サステナビリティ研究所所長です。
アトウォーターと同僚たちは今、シリコンではなく金属だけで構成された構造体を使い、こうした赤外線を吸収して利用する方法を見いだしました。
彼らが開発した新技術は、プラズモン共鳴として知られる金属構造体で観察される現象に基づいています。プラズモンとは、金属と空気の接する境界にある金属表面に存在する、電子の協調した波、すなわちさざ波です。
金属のプラズモン共鳴は本来、自然に決まっていますが、アトウォーターと同僚たちは、実験室で金属を微小なナノ構造にすると、共鳴を別の波長に調整できることを見いだしました。
「通常、銀、銅、金のような金属では、金属中の電子密度は固定されており、単にその物質の性質です」とアトウォーターは語ります。「しかし実験室では、金属ナノ構造の原子に電子を加えて、帯電させることができます。そうすると、共鳴周波数が変化します。」
「こうして共鳴励起された金属表面が電位を生み出せることを実証しました」。これは、ガラス棒を毛皮でこするのとよく似た効果です。電子をガラス棒に移します。「帯電させる、つまり静電気を蓄積させると、軽いショックとして放電できます」と彼は言います。「同様に、共鳴周波数に近い状態で金属ナノ構造を励起すると、その構造が帯電し、測定可能な静電ポテンシャルが生じます。」
この静電ポテンシャルは、発電の第一歩だとアトウォーターは言います。「定常電流を生み出す方法を開発できれば、これは電源となる可能性があります」。彼は将来、プラズモン電気効果を利用する太陽電池を光起電力セルと組み合わせ、可視光と赤外光の両方を利用して発電する構想を描いています。
こうした太陽電池の実用化はまだ先ですが、この新技術は今でも、静電ポテンシャルに基づいて光を検出する新しい種類のセンサーに組み込める可能性があります。
「こうした発明や発見はどれも、技術がたどる道筋を予測できません」とアトウォーターは言います。「しかし、光センサーを作るための新しい効果を実証できれば、その発見はほとんどの場合、何らかの新製品につながってきました。」
この研究成果は、「金属ナノ構造におけるプラズモン電位」と題する論文で発表されました。共著者には、筆頭著者でカリフォルニア工科大学の元博士研究員マシュー・T・シェルドン、同大学の応用物理学専攻大学院生アナ・M・ブラウン、アムステルダムのFOM研究所AMOLFに所属するヨリック・ファン・デ・フループとアルベルト・ポルマンが含まれます。本研究は、米国エネルギー省、オランダ科学研究機構、NSF大学院研究フェローシップの助成を受けました。
共同掲載： Calltech。
著者：ジェシカ・ストーラー＝コンラッドは、カリフォルニア工科大学のサイエンスライターです。
画像：2013年9月16日、甘粛省蘭州の北西に位置する敦煌の太陽光発電所で、作業員が太陽光パネルを点検している。REUTERS/Carlos Barria。
