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NEDO(独新エネルギー・産業技術総合開発機構)が発表 した太陽光発電ロードマップ(PV2030+)1)では,わが国の 太陽光発電の具体的な導入目標として,2020年までに現状 の10倍,2030年には40倍とすることが掲げられている.ま た最近では,本年 7 月に導入する「再生可能エネルギーの 全量固定価格買い取り制度」の原案がまとめられ,電力会社 が発電事業者から買い取る際の価格は,太陽光発電が 1 kWh 当たり42円などとなっている.今後再生可能エネル ギーの大規模普及が益々加速することになる. 一方,太陽電池のエネルギー変換効率は,現在主流の結晶 Si 太陽電池で Shockley-Queisser の理論値2)(Si の場合約29 )にほぼ近づいている.そこで,従来の延長線上にない新 しいアプローチやコンセプトを取り入れることにより,単接 合太陽電池の変換効率を上回り,かつ製造コストが50円/W 以下の低コスト化が展望できる次世代型高効率太陽電池の研 究開発が益々重要視されている. 1980年に多接合タンデム太陽電池が提案され,変換効率 は最大68になることが理論的に示された3).多接合タンデ ムセルでは,複数の異種半導体を,太陽光の入射側よりワイ ドバンドギャップ材料からナローギャップ材料へと順番に積 層させて,全体として太陽光スペクトルとの整合を高める方 式である.2009年,独 Fraunhofer 研が,族化合物半 導体を用いた InGaP/InGaAs/Ge 系 3 接合タンデム太陽電 池で,450倍集光動作下で41.8の世界最高効率(当時)を 報告した4).また2011年には,米 Solar Junction 社が InGaP/GaAs/GaInNAs(Sb)系 3 接合タンデムセルで,500倍 集光下で43.5を達成し,世界記録を塗り替えた5).国内で はシャープ社が,非集光のセル効率として世界最高の36.9 を2011年に報告し6),現在集光セルの開発にも着手してい る.集光型太陽電池の世界の生産量は,2007年に宇宙用と して約 1 MW/年,また地上用では100~200 kW/年(500倍 集光で50~100 MW/年)に達している.今後2015年頃には 約 1 GW,さらに2030年頃には約40 GW にまで達し,これ は全太陽光発電導入量の約 1/3 を占めるまでになる7). 他方,半導体量子ドットを導入して太陽電池の高効率化を 図る量子ナノ構造太陽電池の研究開発も活発化している8). 量子ドットの利点は,◯同じ材料でも,その大きさを変える だけで光吸収の波長範囲を紫外光から近赤外光にわたって広 くチューニングすることができること(量子サイズ効果), ◯従来型の太陽電池では熱損失として失われてしまうエネル ギーを有効利用することが期待できること(ホットキャリア 効果,マルチエキシトン生成効果),◯量子ドットを周期的 に配列させた超格子構造を用いて,赤外光を吸収させるため のミニバンドを人工的に作りつけることができること9),そ して◯有機材料と組み合わせたハイブリッド太陽電池や,色 素に替えて量子ドット増感型太陽電池といった低コストのタ イプの太陽電池に適用できること,などがある.上記◯の量 子サイズ効果を応用したセル開発は主に Si 系材料で検討が 進んでいる.他方,上記◯と◯に関する研究技術開発は近年 特に盛んである.量子ドットを高密度に周期配列させた超格 子構造では,量子ドット間の結合(カップリング)が起こり, 個々の量子ドット中にある離散化されたエネルギーが 1 つ の束(バンド)となってミニバンドが形成される.この中間 バンドを介した光学遷移を利用して,赤外光の光を有効に吸 収し太陽電池の高効率化を図るものである. 本稿では,このような理論変換効率60以上の超高効率 化が可能とされる量子ドット太陽電池について,現状と将来 展望について解説したい.

Recent Progress and Future Prospects for Quantum Dot Solar Cell Technology