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京大など、量子ドット太陽電池の電圧低下要因を解明 限界突破に一歩前進

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京大など、量子ドット太陽電池の電圧低下要因を解明 限界突破に一歩前進

京都大学は、微細な半導体の結晶である半導体量子ドットを用いた太陽電池で課題であった、電圧が低下する原因を突き止めたと発表した。本成果により、結晶シリコン太陽電池の限界を超える次世代太陽電池の高効率化に向けた設計指針が提供された。

現在、広く実用化されている結晶シリコン太陽電池(単接合型)のエネルギー変換効率(20%程度)は理論的な限界に近づいており、次の新しい高効率化技術が求められている。そのひとつとして、大きさがナノメートル(10億分の1メートル)サイズの半導体微結晶である量子ドットを用いた太陽電池が理論的には40%以上という高い変換効率が期待されており、注目されている。

例えば、結晶シリコン太陽電池に、より低いバンドギャップエネルギーを持つ量子ドットを組み入れることで、低エネルギー光を吸収し電気エネルギーとしての利用が可能となる。このような新しい光吸収帯を用いた量子ドット太陽電池は中間バンド型と呼ばれ電流は増加するが、逆に電圧の大幅な低下が問題で、高効率化の妨げとなっていた。

今回、太野垣健 京都大学化学研究所准教授、宇佐美徳隆 名古屋大学教授らの研究グループは、結晶シリコン太陽電池に導入する材料に、ゲルマニウム量子ドットを選び、太陽電池特性を幅広い温度範囲で系統的に調べた。その結果、電圧の低下につながる大きな電荷の損失を引き起こすことなく、結晶シリコン太陽電池に導入できることがわかった。これは、ゲルマニウムの材料特性上、ほかの材料では起こっていた電荷の再結合による損失が抑制できたためと考えられる。

シリコン/ゲルマニウム量子ドット太陽電池

(a)結晶シリコン太陽電池にゲルマニウム量子ドットを導入した「シリコン/ゲルマニウム量子ドット太陽電池」の試料構造と量子ドットの電子顕微鏡図。
(b)ゲルマニウム量子ドットを導入した太陽電池のエネルギー概念図。

さらに、電圧が低下する本当の原因は、これまで言われていたように導入する量子ドットの材料特性や組み合わせによって起こるのではなく、電荷が光吸収によって励起される(エネルギーを高められる)前に量子ドットから取り出されて、元の電圧が維持できなくなって起こることを突き止めた。

本研究成果によって、量子ドットを用いた高効率化技術の妨げであった電圧の低下を引き起こす電荷の損失を伴わずに量子ドットを導入する手法を見いだした。さらに、その手法によって、電圧の低下の原因が明らかになった。今後は、本知見を活用した電圧の低下を抑制する実証研究が加速し、近い将来、量子ドットの結晶シリコン太陽電池への高効率化技術の適用や、中間バンド型をはじめとする高効率な量子ドット太陽電池が実用化されることが期待される。

バンドギャップエネルギーとは、半導体において電子が満たされて動かない状態である「価電子帯」と電子が自由に伝導する状態である「伝導帯」の間のエネルギー差、電子を価電子帯から伝導帯に持ち上げるのに要するエネルギー量を意味する。バンドギャップエネルギーの大きさは、半導体の種類と用いた量子ドットの大きさによって決まる。バンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーを持った光は半導体に吸収されず利用できないが、通常の太陽電池ではバンドギャップエネルギーの小さな半導体を用いると電圧が低くなることが知られている。

また、中間バンド型太陽電池とは、半導体の価電子帯と伝導帯の中間的な位置にあり電子が入ることができるような状態である「中間バンド」を形成し、バンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーを持った光を2回吸収することで高い電圧を生成する太陽電池をいう。

【参考】
京都大学 - 量子ドットを用いた結晶シリコン太陽電池の高効率化に向けた設計指針を提供

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