エネルギー散逸が光から電流への変換を助ける － 太陽光発電の効率を上げる新しい指導原理の確立 －：物理工学専攻　特任研究員（研究当時）山田康博、量子相エレクトロニクス研究センター 山地洋平 特任講師、物理工学専攻 今田正俊 教授

環境問題や逼迫する電力需給を踏まえ、高効率の太陽電池の開発が求められています。常識を超える性能を追求するためには、太陽光をより効率良く電流に変換する新たな指導原理が必要です。現在の主な指導原理はShockleyとQueisserが１９６１年に出した理論に基づいており、環境へのエネルギー散逸を極力減らすことが高効率変換に不可欠であると考えられてきました。

東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻の山田 康博特任研究員、同附属量子相エレクトロニクス研究センターの山地 洋平特任講師、並びに同物理工学専攻の今田 正俊教授は、この常識とは逆に、太陽光から電流への変換の際の量子力学的な光や電子の長時間の動きを理論的に解析することで、ある種のエネルギー散逸が効率改善のために役立つという直感に反する新たな原理を確立しました。

太陽光から電流への変換の基本法則は量子力学に従い、光の量子である光子によって励起された太陽電池内の高エネルギー電子を電極に取り出すことで、起電力が生じ電流が流れます。従って、高効率変換の実現のためには、光子による高エネルギー電子の励起(光吸収)が高い確率で行われる必要があります。一方で、良く光を吸収するとその逆過程(発光)も同じ確率で生じてしまうため、励起された電子の寿命が短くなり、電極に取り出す前に発光で消えてしまいます。この励起確率と寿命の二律背反関係は、可逆的な量子力学では原理的制約です。吸収と発光が連動するため、従来｢よく光る物質｣の方が良い太陽電池候補と考えられてきました。山田特任研究員らの研究グループは、植物の光合成からヒントを得て、太陽光から受け取ったエネルギーに比べると少量のエネルギーを環境へ散逸させることにより、電子を「光らない暗状態」へ不可逆的に遷移させ、量子力学の制約を一時的に外すことで二律背反を避ける原理を示しました。いわば「皮を切らせて骨を断つ」手法とも言えます。この時、エネルギー散逸は電子の量子的な動きを｢古典化｣させるように働き、"時間の矢"を生みだします。その結果、高確率で励起された電子の長寿命化が実現されます。従来の常識に反して、実は「光らない物質」の中にこそ未来の高効率太陽電池の候補が潜んでいるのです。

本研究グループは、次世代の太陽電池セルの候補物質の一つである単層カーボンナノチューブを例にとり、７桁以上に渡る時間スケールの変化をシミュレーション解析してこの原理を実証しました。この一見逆説的な原理の実証は、従来見過ごされていた物質群から高効率な太陽電池の候補を探索する新たな指針となると期待できます。

本研究成果は、米国物理学会の速報誌「Physical Review Letters」のオンライン版（11月6日付け）に掲載されます。

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