太陽電池：3つの結晶を重ねることで、1000倍の発電量を実現
強誘電体結晶の光起電力効果は、3つの異なる材料を格子状に配置することで、1,000倍に高めることができます。マルティン・ルター・ハレ・ヴィッテンベルク大学（MLU）の研究者の研究によって明らかにされました。研究チームは、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウムの結晶層を作り、これを交互に重ねることによって実現しました。この成果は、太陽電池の効率を大幅に向上させる可能性があり、『Science Advances』誌に発表されています。
現在、太陽電池の多くはシリコンをベースにしていますが、その効率には限界があります。そのため、研究者たちは、バリウムとチタンの混合酸化物であるチタン酸バリウムのような、強誘電体の新材料を検討してきました。「強誘電体とは、正と負の電荷が空間的に分離している物質です」と、MLUのイノベーション能力センターSiLi-nanoの物理学者アカシ・バトナガー教授は説明します。「電荷の分離は、光から電気を発生させることができる非対称な構造をもたらします。」シリコンと違い、強誘電体結晶は、光起電力効果を生み出すためのいわゆるpn接合、言い換えれば、正負のドープ層が不要です。そのため、ソーラーパネルの製造が非常に簡単になります。
しかし、純粋なチタン酸バリウムは太陽光をあまり吸収しないため、比較的弱い電流しか発生しません。今回の研究では、異なる材料の極薄層を組み合わせることで、太陽エネルギーの収量が大幅に増加することが明らかになりました。「ここで重要なのは、強誘電体材料と常誘電体材料が交互に配置されていることです。パラエレクトリック材料は電荷が分離していませんが、低温や化学構造の変化など、特定の条件下で強誘電体になることがあります」とバトナガー教授は説明します。
バトナガー教授の研究グループは、強誘電体層が1層だけでなく、2層の異なる誘電体層と交互に配置されると、光電変換効果が大幅に向上することを発見しました。MLUの博士課程に在籍し、この研究の筆頭著者であるYeseul Yunは、次のように説明します。「私たちは、チタン酸ストロンチウムとチタン酸カルシウムの間にチタン酸バリウムを埋め込みました。高出力レーザーで結晶を蒸発させ、キャリア基板に再蒸着することで実現しました。これにより、約200ナノメートルの厚さの500層からなる材料ができました。」
光電測定で、この新材料にレーザー光を照射しました。その結果、光電変換の主成分であるチタン酸バリウムの割合が約3分の2に減少したにもかかわらず、同じ厚さの純粋なチタン酸バリウムと比較して、電流の流れが最大1,000倍も強くなっていることがわかりました。「格子層間の相互作用によって誘電率が高くなったようです。つまり、光子の励起によって電子が流れやすくなったのです」とバトナガー教授は説明します。また、この効果は非常に強固であり、6ヵ月間ほぼ一定でした。
今後は、この優れた光電効果の原因を正確に解明するための研究が必要です。バトナガー教授は、この新しいコンセプトが示す可能性は、ソーラーパネルへの実用化にもつながると確信しています。「この層状構造は、純粋な強誘電体よりもすべての温度領域で高い収率を示しています。また、結晶の耐久性も大幅に向上し、特別なパッケージングも必要ありません。」
この研究は、連邦教育研究省(BMBF)、ドイツ研究財団(DFG)の支援を受け、欧州地域開発基金(ERDF)からの資金提供を受けて行われました。
出典：https://pressemitteilungen.pr.uni-halle.de/index.php?modus=pmanzeige&pm_id=5273
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