太陽の光は地球全体を覆っていて、1時間あたりの光子（光線中に含まれるエネルギーと運動量を運ぶ粒子）の量は全世界の年間エネルギー需要をまかなえるほどある。問題は、いかに効率的に光子を電気に変換できるかだ。

小規模な実験室における条件でさえ、世界最高の単一接合タイプ（現時点の大半のソーラーパネルに使用されている方式）の太陽電池が活用する太陽エネルギーは最大で29パーセント。この数値は、半世紀前に太陽電池の研究者が計算した「約3分の1」という変換効率の限界に、わずかに手が届かない数値である。

しかし、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセス、つまり光起電力の研究者たちは、長いあいだこの限界がかつて想定されていたほど厳しいものではないと考えていたのである。

太陽電池の変換効率の限界は「ショックレー・クワイサー限界」［編註：1961年にショックレーとクワイサーが提唱した限界。どのような半導体を用いても太陽電池の効率は32.7パーセントを超えないされる］と呼ばれ、測定方法によって29～33パーセントになる。これは単一接合の太陽電池、つまり1種類の半導体のみの太陽電池で、直接の太陽光によって光起電力に変換されるセルを想定している。

限界を超えた新しい設計

この限界を超えるために研究者らは、複数種の半導体を重ね合わせたり、レンズで集光して自然の太陽光の何百倍もの強力な光線を太陽電池に照射したりした。2019年はじめ、米国の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、6接合の太陽電池と143倍に集光した太陽光を使って、何とエネルギー変換効率47.1パーセントを達成して世界記録を打ち立てた。

ところが、この技術は大量生産ができない。マサチューセッツ工科大学（MIT）で電子工学およびコンピューターサイエンスの教授を務めるマーク・バルドーによると、理由は超高効率の多層構造の太陽電池は、ソーラーパネルとして生産するにはあまりに複雑すぎて、高価すぎるのだという。

より多くの太陽エネルギーを送電網に送ることができる実現可能な方法は、生産が比較的容易でコストも抑えられる単一接合のシリコン系太陽電池によって、でショックレー・クワイサーの限界を打ち破る方法を見つけることである。もっといいのは、この限界を超えてより大きな変換効率を達成できることだろう。

かくして10年にわたる研究の結果、バルドーと同僚たちは、ついにこの方法を発見できたようだ。

2つの自由電子を放出するメカニズム

バルドーのチームは、入射した光子を事実上2つに分けるテトラセンという有機分子の薄膜で太陽電池をコーティングした。これは励起子分裂［編註：光を吸収した分子の結晶中で通常の2倍の電荷を生成する現象］として知られるメカニズムであり、太陽電池が可視光線の青～緑のスペクトルに相当する高エネルギー光子を使えることを意味する。

仕組みはこうだ。シリコン系太陽電池では、入射した光子を使ってシリコンから回路に電荷を放出することで電流を生成する。では電荷を放出するために、どのくらいのエネルギーが必要になるのか。

これは太陽電池に使用される材料の物質特性であるバンドギャップ、すなわち電子が安定して存在できない領域である禁制帯の幅によって決まる。シリコンのバンドギャップは赤外光子に相当し、電磁スペクトルの可視部分の光子より低いエネルギーしかない。シリコンのバンドギャップを超えた光子は、実質的に無駄になるのだ。

しかし、ここでテトラセンが効力を発揮する。テトラセンは、青～緑のスペクトル光子を2つのエネルギーの“パケット”に分割する。この2つのパケットが、それぞれ1つの赤外光子に相当する。そこで1つの赤外光子が1つの自由電子を放出するのではなく、青～緑スペクトルの1つの光子が2つの自由電子を放出できるのだ。要するに、同じ価格で買える光子が2倍になるようなものである。

抜本的かつ新しい手法

この新型の太陽電池は、太陽光発電の研究において有名な“自明の理”を覆す、抜本的かつ新しい手法だ。ショックレー・クワイサー限界を超えるには、太陽光スペクトルの広範な範囲からエネルギーをとらえる必要がある。この新しい太陽電池は、スペクトルの範囲を広げるために異なるバンドギャップをもつ高価な材料を積み重ねる必要がないため、最終的にはより実用的になる可能性がある。

バルドーによると、テトラセンを使えば、理論的なエネルギー効率限界を35パーセントまで上げられる可能性があるという。これは単一接合の太陽電池で可能だと思われていた限界を打ち破るものだ。

テトラセンを追加することは概念的にはシンプルであるが、実際の生産となるとそれほど簡単ではない。バルドーによると、テトラセンをシリコンに直接載せると互いに作用して電荷を消してしまう、というのがその理由だ。

バルドーのチームにとっての課題は、エネルギーパケットをテトラセンからシリコンに流れるようにするために、テトラセンとシリコンの間に挟める材料を探すことだった。理論的な文献は役に立たないため、バルドーのチームは適切な“仲介役”になる材料を探すために、何度も試行錯誤を重ねた。そして仲介役となるのは、ちょうど8つの原子幅のハフニウム酸窒化物の薄膜であることがわかった。

ペロブスカイト太陽電池という選択肢

とはいえ現時点では、この太陽電池はほかのセルに勝る記録を打ち立ててはいない。変換効率は実験段階では約6パーセントであるため、既存のシリコン系太陽電池と競い合うにはまだ長い道のりがある。ましてや一般家庭の屋根に載るのは、もっと先のことだ。

この研究の意義は、太陽電池における励起子分裂の概念実証にすぎない。太陽電池の変換効率を上げるには、励起子分裂に最適化するエンジニアリング作業が必要だと、バルドーは説明している。

この意味においてMITのチームが実証したことは、競合する技術というより、既存の太陽光発電の限界を超えるための「新たに進むべき道」であると、NRELの上級サイエンティストのジョセフ・ベリーは言う。「この研究の素晴らしいところは、これまでの太陽電池とは根本的に異なるアプローチだということです。アイデアとしては以前からありましたが、実際のデヴァイスには到達してなかったのです」

NRELのベリーと同僚たちは、多接合太陽電池の複雑さと高コストを避ける方向で、太陽電池の変換効率を上げる別の方法も研究している。ベリーが研究しているなかで最も有望な方向性を示すものが、ペロブスカイト太陽電池と呼ばれるものだ。

ペロブスカイトとは、天然鉱物の灰チタン石に似た構造特性をもつ合成材料である。初めてペロブスカイト太陽電池がつくられたのは10年前にすぎないが、それから今日にいたるまで、どの種類の太陽電池よりも変換効率の向上スピードが著しい。

これまでのタイプに比べてペロブスカイト太陽電池の利点は多くあるが、なかでも材料の欠陥に対する許容度が高いことが挙げられる。シリコン系太陽電池なら、わずか数点でも不要な粒子があれば使い物にならないが、ペロブスカイト太陽電池なら完全でなくても十分に機能する。

また、シリコンよりも光子エネルギーをずっと効率的に処理できる。実際のところ、シリコンが太陽電池に最も多く使われているのは、太陽電池の材料として最高だったからではなく、デジタル製品に広範に使用されていたことでシリコンの性質が科学的に十分解明されていたからにすぎない。

励起子分裂の効率性実証が課題

いまのところ、こうした次世代太陽電池のなかで商品化にこぎつけたものは、ひとつもない。現時点で使用されているほぼすべてのソーラーパネルは従来型の単層シリコン系太陽電池であり、雨風にさらされても何十年でも耐えられることが実証されている。

ペロブスカイト系のソーラーパネルが実際に使われるには、安定性と20年以上の寿命が実証されなければならない。ベリーによると、多くの企業がすでに小規模のペロブスカイト系ソーラーパネルを展開しており、これによって今後広く採用される道が開かれることを望んでいるという。

将来に向けて、MITが開発している励起子分裂技術にペロブスカイト太陽電池を組み合わせれば、変換効率も増大する可能性もあるという。「どれかを選択するという提案ではありません」と、ベリーは言う。

とはいえ、まず励起子分裂が現実世界で十分に効率的であることを実証する必要がある。結局のところ、ソーラーパワーを送電網に大量に活用するには、独自のメリットをもつソーラー技術を組み合わせることが必要になるだろう。

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