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量子ナノ構造を利用した太陽電池の光キャリアの振る舞いを解明 -高効率太陽電池の実現に前進-

2014年2月18日

 金光義彦 化学研究所教授、ディビット・テックス 同研究員(戦略的創造研究推進事業(CREST))は、神谷格 豊田工業大学教授との共同研究により、異なる三種類の波長のレーザー光を用いた分光測定によって、通常の太陽電池では利用できない近赤外領域の光を効率よく電力に変換できるナノ構造中間バンド型太陽電池の実現に向けた突破口を見出しました。

 本研究成果は、2014年2月18日(英国時間)に、英国ネイチャー出版グループのオンライン科学誌「Scientific Reports」で公開されました。

研究者からのコメント

 中間バンド型太陽電池では、量子ナノ構造(量子ディスクや量子ドットなど)を利用することで、通常の太陽電池では利用できない近赤外の光を電流に変換することができます。このような中間バンド型太陽電池では、量子ドットと量子ディスクそれぞれの役割をはっきりさせた上で高効率化を目指す必要があります。キャリア多体効果を利用する量子ディスクの光電流生成の効率は、量子ドットより極めて高く、実際の応用に有利であることがわかりました。さらに量子ドットが近赤外の光を効率よく電流に変換できる条件を見つけました。

 今後は、それらの構造を空間的に分離させ、両者を上手く利用することにより、実用レベルに近いエネルギー変換効率が得られるものと期待しています。

ポイント

  • 多波長励起光電流分光によるアップコンバージョン光電流生成機構の解明
  • 半導体ナノ構造を利用した中間バンド型太陽電池の効率を支配するプロセスを究明
  • キャリア多体効果を利用することによる太陽電池の高効率化の提案

概要

 太陽光の光エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる太陽電池は、近年の逼迫するエネルギー・環境問題の解決を期待されている電力源の一つです。より多くの安価な太陽電池を利用するため、エネルギー変換効率のさらなる向上が必要とされています。一種類の半導体材料によって構成された単接合太陽電池のエネルギー変換効率は、その材料のバンドギャップエネルギーによって決定され、理論的な限界は約30%になることが知られています。その理論限界に迫り、さらに超えることを目指して、これまでにさまざまな構造の太陽電池が提案され、多くの検証実験が行われてきました。しかし、これらの新型太陽電池は実際には期待される変換効率に達していません。

 変換効率を制限している主な要因の一つは、太陽光の光エネルギーの多くを担っている近赤外光を利用できないことです。本研究では、近赤外光を利用するために提案されている中間バンド型太陽電池を、理想的な太陽電池材料の一つであるGaAsあるいはAlGaAsのバルク結晶内にInAsのナノ構造(量子ドットや量子ディスク)を挿入することによって作製し、その光学的・電気的な特性を明らかにしました。このナノ構造試料に対して異なる三種類の波長の光を同時に照射し、高効率なアップコンバージョンによる光電流を測定しました。その結果、量子ディスクが光電流の増大に大きく寄与することを明らかにしました。また、量子ドット構造を利用した中間バンド型太陽電池の効率が理論予想よりも低い原因を突き止め、中間バンド型太陽電池の高効率化への突破口を見出しました。


(a)試料構造、(b)多波長レーザー励起分光システムの概略図

詳しい研究内容について

量子ナノ構造を利用した太陽電池の光キャリアの振る舞いを解明 -高効率太陽電池の実現に前進-

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/srep04125

[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/182071

David M. Tex, Itaru Kamiya & Yoshihiko Kanemitsu
"Control of hot-carrier relaxation for realizing ideal quantum-dot intermediate-band solar cells"
Scientific Reports 4, Article number:4125, Published 18 February 2014

掲載情報

  • 日刊工業新聞(2月20日 19面)および日経産業新聞(2月19日 7面)に掲載されました。