ｒｙｒｙ牡牛ドット

量子ドットなんてカッコいいですが、難しくてどんな太陽電池か良く判りませんね。まぁ単純に言うと、材料を混ぜて新しい半導体を作っているわけで、その混ぜ方が量子ドットと言われる特殊な方法なのです。半導体を作るには、分子オーダーでうまく揃えながら混ぜる必要があり、量子ドットの場合は下図のように分子オーダーの粒状にして並べながら混ぜています。

このようにすると従来には無い特性を持った半導体を作ることも可能になるわけですが、とにかく分子オーダーの粒をうまく揃えながら混ぜるというのはとても手間がかかり、高くつきます。そこを安く作ることに成功したわけですね。

太陽電池の構造などは従来の方法でも良いわけで、このグループはとりあえずこの製法のペロブスカイト半導体を用いた太陽電池を作り、発電できることを確認しました。まだ高変換効率を達成したわけではありません。タイトルのようにシリコンを上回る変換効率が出るかどうかはまだ分かりません。シリコンを上回る可能性があるというだけです。

しかし、シリコンを上回る可能性はありますね。ただ、ペロブスカイトの場合は安定性が悪いという問題もあります。この製法の場合に安定性の問題も解決されたら良いのですが、そこは未確認。とにかく、可能性のある技術が一つ増えたと思って見守っていけば良いと思います。

以前このブログで「量子ドット」太陽電池について説明する時に、「太陽電池は一定のエネルギー以上の波長の光しか電気に変換できない」と言うことを書きました。実はこの時には説明を省略したのですが、太陽電池は「一定のエネルギー以上の波長の光」に対しても「一定のエネルギー分」しか電気に変換できません。従って、「一定のエネルギー」を超えた分のエネルギーは無駄になるわけです（下図）。

「量子影」が何か良く判りませんが、無駄になっているエネルギーを貯めて、「一定のエネルギー」以上にして発電に寄与させるもののようです。ただ、「一定のエネルギー以下の波長の光」を有効に使うのか、「一定のエネルギーを超えた部分」を有効に使うのかは良く判りません。記事を読んでいると何となく「一定のエネルギーを超えた部分」を有効に使うためのように思うのですが、それだけで変換効率66%を実現するのはかなり難しそうなので、両方に効くような気もします。

いずれにせよ、現時点で実現可能なのはフラーレンという特殊な材料を使った有機太陽電池らしいので、まだ実用には程遠いのではないかと思います。それでも「変換効率を44%まで高めることができた」とあるのは驚異的です。（ひょっとすると記者の勘違いかもしれませんが・・・。）

量子井戸、量子ドット、量子影といろいろな太陽電池が出てきました。量子と言うのは難しい言葉ですが、例えばエネルギーのような連続的に変化すると思われる量が、ミクロに見れば微量のエネルギー粒子の集合と見られることを言っていると思っておけば良いでしょう。

わけの判らない理論のためにわけの判らないことがおこるわけですが、このように有益なことも起こるところが科学の魅力ですね。

まぁ、いずれの太陽電池も未来技術で、すぐにどうと言うことではないでしょう。まだまだ科学者には頑張ってもらわなければなりません。

理論限界以上の効率の太陽電池を作ろうとすると、いろいろな波長の光を吸収して電気に変換していくことが必要ですが、自然に存在する材料では実現できません。そのために人工的な新材料を作ることに挑戦しているわけです。

新材料を作るためにまず考えられる方法は、自然に存在するものを混ぜることです。しかし、太陽電池は材料の原子がきれいに並んでいる時の光・電気的性質を利用して作られています。一方、普通に異なる材料を混ぜてもなかなか太陽電池として使えるように原子がうまく並んだ状態にすることができませんでした。

そこで行われたのがそれぞれの材料だけを数原子層ずつうまく並べて膜を作り、それを積み重ねていく方法です。それぞれの材料だけで膜を作る時に原子をきれいに並べる技術は、半導体の技術として既に開発されています。このような膜を重ねていくと、それぞれが結晶だった時の性質が残り、積み重ねることでそれらが融合した新しい材料ができます。

量子ドットの場合は膜と言うより粒（ドット）を並べたようなものになりますが、原子をきれいに並べてドット作り、それを規則正しく並べていけば、膜を重ねた時よりもっと複雑な効果を持つことができます。こうして新しい材料を開発します。

理論的な話はこれぐらいにして（あまり正確ではなかったですが）・・・、

このような方法で新材料を作る研究が蓄積され、どのような材料をどのように組み合わせるとどのような性質になるかだんだん判ってきたようです。しかし、理論的に判っても実際に材料をそのように細かく、しかも原子をうまく並べて積み重ねていくことは簡単なことではありません。

従って超格子や量子ドットの話は理論的な面が先行していますが、実現という面ではまだうまく行ってないことが多いようです。量子ドット太陽電池で理論効率が70%とか80%とか言われているようですが、まだ実現されていないはずです。実際に作ったりしているとは思いますが、理論よりはずっと低い変換効率しか得られていないでしょう。また、今の技術ではとんでもなくコストのかかる太陽電池になってしまうでしょう。

ただ、将来的な可能性があることは確かです。また太陽電池以外の分野で使える新しい材料の開発につながるかもしれません。

世界の科学者の活躍に期待しましょう。

量子ドット太陽電池の積層状態を示したもの

ということで勉強してみました。それほど分かったわけではありませんが、「多少」知ったような顔はできるかなと思います。その「多少」を何とか説明してみますので、興味のある方は読んでみて下さい（一部、テキトーです）。

まず、超格子も量子ドットも人工で新しい材料を作るための特殊な技術です。量子井戸という言葉もありますが、多分、量子ドットと同じようなものだと思います。

さて、

超格子と言うのは二つの異なる材料を極めて薄い層（数原子層ぐらい）で積み重ねて作る新材料で、量子ドットの場合は単に薄い層を重ねるだけでなく、層に更に市松模様のような面的構造をつけて積み重ねて作る新材料です。‐‐‐これを知っているだけでも相当の物知りということになると思います。

なんだ、積み重ねるだけかと思われるかもしれませんが、数原子層ぐらいでしかもきれいに積み重ねないといけないので簡単なことではありません。しかしうまく積み重ねることができれば夢の材料を作ることも可能なようです。

うまく見つかりませんでしたが、ネットで良い図が無いか調べてみました。参考の図を下に示します。

超格子（左の図）

量子ドット（図の半ばの積層部分）

なぜ、こんなことをして新材料を開発しなければならないのか、ということですが、ここから少し理論的な話になります。

太陽電池は半導体と言われる材料が光に対して持つ電気的性質を利用したものです。うまく作れば多くの光を吸収して多くの電気を生み出します。しかし、普通の半導体材料ではある一定のエネルギー以上の波長の光からしか電気を生み出せません。従ってそれ以下のエネルギーの波長の光は無駄になっています。これが太陽電池の変換効率に理論的限界がある理由で、普通のシリコン太陽電池ですと理論的限界は28-29%ぐらいまでと言われています。

この理論限界を超えようとして超格子や量子ドットの技術があるわけです。

長くなるので、この続きは次回にします。