励起状態を利用した次世代高効率太陽電池：理論効率35%への挑戦

概要

従来のシリコンベース太陽電池には効率限界がありました。従来型では、セル表面に入射する光子1個につき電子1個しか放出されません。より高エネルギーの光子でも追加電子を引き出せず、差を生みませんでした。研究者たちは今、高エネルギー光子から電子を1個ではなく2個放出させる新手法を開発し、より高効率な新タイプ太陽電池への道を開きました。

従来型太陽電池の理論上の最高効率は29.1%。ここ数年、MITなどの研究者たちがセル効率向上の新手法を開発してきました。

初期実証

この技術原理は知られており、実証もすでに実施されていました。しかし、実用化には数十年を要しました。初期研究では有機太陽電池で1光子から2電子放出を実証。しかしシリコン太陽電池の方が有機系より効率が高いです。テトラセンをトップ層とした太陽電池でテストした際、2電子移行は単純ではありませんでした。この技術は4十年前に概念化されましたが、実用化が今まさに現実となりつつあります。

励起プロセス

この技術はエキシトンと呼ばれる、励起状態を含む材料群を利用します。エキシトンは1光子のエネルギーを2電子に分割可能。エキシトンは電子のように回路内を伝播するエネルギーパケットですが、電子とは異なる特性を持ちます。このプロセスでは一重項エキシトン分裂が行われ、光エネルギーが2つの独立した移動可能なエネルギーパケットに分割されます。シリコン太陽電池が光子を吸収してエキシトンを形成、これが分裂反応を起こし2つの励起状態を形成。各エネルギーパケットは初期状態の半分のエネルギーを持ちます。

課題の解決

エキシトン層から得られるエネルギーをシリコンに結合することは困難でした。シリコンは非エキシトン性材料だからです。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微小半導体粒子に結合させようとしました。ここで太陽電池技術のブレークスルーが起きました。量子ドットは無機物でありながらエキシトン性も持つ両方の特性を備えていたのです。これによりより効率的なシリコン太陽電池の開発につながりました。

表面化学の役割

エネルギー移行は材料のバルクではなく、材料の表面によって可能になります。研究チームはシリコンの表面化学に焦点を当てたことで所望の結果を得られました。これにより表面に存在する表面状態を特定できました。解決策は、テトラセン層とシリコンセル層の界面にある薄い中間層にあります。使用された中間材料はハフニウム酸窒化物で、数原子層の厚さしかなく、エキシトンの橋渡し役として機能します。この新技術により最大理論効率が29.1%から35%へ向上しました。

展望

2材料の効率的結合は達成されましたが、このプロセスのためにはシリコンセルの更なる最適化が必要です。現在より薄いセル製造が必要。材料の耐久性安定化も課題。商業化には数年を要する見込み。他の効率向上手法としてペロブスカイト層をシリコン上に追加する方法なども研究されています。

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