■太陽電池産業に進展をもたらすEviDot

有限の石油資源とその他化石燃料の枯渇に対する懸念が高まる中、代替エネルギーの探索に注目が集まっています。化石燃料の代替候補の一つ、太陽電池には、メンテナンスが容易、環境に優しいなど数々のメリットがあり、発電、通信、軍用、宇宙などの分野での利用が研究されており、さらに多くのアプリケーションで既に採用されています。太陽光発電の大きな欠点は、高いコストです。太陽輻射は、豊富でクリーンなエネルギー源ですが、既存の太陽電池を用いた場合、電気変換のコストが非常に高いため、ワット数ベースで考えると最大限に利用されてきたとは言えません。Evident Technologies社は、太陽発電の新たなアプリケーションを実現するためこのコスト問題の解決策を提案します。

太陽発電のワット当たりの単価を左右する主な要素は、材質のコストとデバイス効率です。現在太陽電池技術の幅広い分野への応用を妨げる高コストは、この二つのいずれかに起因しています。

今日の太陽発電パネルの多くは、半導体産業に欠かせないシリコン製です。このデバイスは、第一世代と呼ばれており、太陽電池の安定性と効率を高めることができます。しかし、残念ながら、デバイス作成に必要な材料処理があるため、第一世代の太陽電池の作成コストを下げることはできません。まだそれほど一般的ではない、大型シリコンウェーハー製造のための新たな手法は、薄膜を用いた太陽電池の製造に関連性があり、大幅にコスト削減できる可能性があります。薄膜セルは第二世代と呼ばれ、第一世代よりは低コストながら、輻射熱の吸収は第一世代より劣り、効率が低下するという欠点もあります。

このような理由のために、太陽光は無料で、輻射熱を利用可能なエネルギーへ変換する技術は50年もの間研究されてきたにもかかわらず、米国での発電量のうち、太陽発電が占める割合は、2001年で、0.025パーセントにすぎません。（3.8兆キロワット/時のうち、860百万キロワット/時）　太陽電池の有益性と、実際の使用状況が一致しないのは、桁外れなコストが主な理由です。太陽電池のコストは、2001年の時点で、化石燃料の約10倍（一ライフサイクルあたり）です。つまり、十分な大きさがあり、使用に耐える太陽電池を、低コストで製造し、低コストで材料を用意し、妥当な効率を実現する必要があるのです。現在の太陽電池ではそれら必要性のうち一つも満たすことができません。

カルノーの限界によると、太陽光の電気への変換効率の限界は95パーセントとされていますが、標準的な太陽電池の理論的な変換効率の上限は、33パーセントです。つまり、太陽電池の性能は、異なるコンセプトで高効率、低コスト太陽電池技術を開発すれば、2−3倍向上する余地があるということになります。第三世代太陽電池を実現する手法については未だ研究段階ですが、最適化されたバンドギャップを持つ低価格半導体材料で、太陽電池の吸収特性を調整するというのが最適な手法だと考えられます。Evident Technologies社のナノクリスタル製品群は、まさにこのようなチューナビリティを備えており、市場競争性の高い太陽電池を開発の可能性を広げる製品です。

ナノメートルスケールの世界で、Evident Technologies社製のナノクリスタルは、材質の量子特性を活用し、既存半導体デバイスの限界を超える一助となりえます。太陽電池の場合、量子ドット半導体は、低コストで太陽エネルギーを高比率で取り込むことができ、また、柔軟なシート、液状、または透過性にというように形状も柔軟に変えることができます。バルクシリコン半導体材や薄膜太陽電池に比較し、ナノクリスタルは比較的低価格、かつ高性能なので、理論的には、第三世代の〜60%の変換効率を、パネル１平方メートルあたり100USドル程度で作成可能にし、太陽電池を価格的競争力のある製品に変えていく可能性があります。

太陽電池の使用例は、非常に多岐にわたります。太陽電池技術への需要が拡大しているのは、配電ネットワークが十分に整備されていない開発途上国など、電力網への接続が非常に高コストな地域が多くなります。これは地球人口の不均衡を繁栄しているものと思われます。また、戦場に持ち込まれるポータブル電子機器が増加するにつれ、兵士は電力供給バッテリーに依存することになり、これを懸念する声もあります。これもまた、太陽電池の潜在的な巨大マーケットで、軍装備の機械化が進むにつれ拡大が見込まれます。最後に、安価な太陽電池は、電力網が整備されている地域でも、日照条件がよければ、クリーンなエネルギーに関心が高い個人からの需要が見込まれます。太陽発電のコストが化石燃料のコストに近づく、またはそれ以下になった場合には特に需要が高まるでしょう。これらの需要は膨大で、またほとんど手つかずのマーケットなので、ナノクリスタルを利用し太陽の力をビジネスに結びつけられる可能性があります。次ぎに、ナノクリスタルの効率とコストメリットをご説明します。

■ナノクリスタル vs. 従来の太陽電池　---　効率とコスト

ナノクリスタルの利用で得られる第一のメリットは、そのチューナブルなバンドギャップに起因するものです。このバンドギャップにより、ナノクリスタルの吸収・発光波長をコントロールすることが可能になりました。太陽電池半導体のバンドギャップが大きければ大きいほど、発電に放出される出力電圧も高くなることが確認されています。その一方、バンドギャップが低い場合、発電する電流が高くなるが、出力電圧は低くなります。太陽-電気変換を高効率で行うためには、電圧、電流の両方が高いことが望ましいので、太陽-電力変換効率のバランスが最適になるポイントを見つけだす必要があります。

従来の半導体デバイスではバンドギャップを容易に低コストで変更することは困難で、スペクトルの一部分だけを吸収することも困難でした。一方、ナノクリスタルは、スペクトルの指定した一部分を吸収するように製造可能なので、太陽電池材料のバンドギャップを、エネルギー変換に最適なバンドギャップに正確に調整する手段となり、高い変換効率を実現できるでしょう。

形状の融通が利かない従来の半導体材料とは対照的に、ナノクリスタルは、特にコロイド状の場合、異なる形状にモールドすることができます。コロイド合成物質を使用して合成したナノクリスタルは溶液内で浮遊するため、導電性・半導体性のポリマー・ゾルゲルへの結合や、多孔性のフィルムへの塗布が容易です。液体状での取扱や比較的低温での処理が可能なので、最新のシリコンや薄膜ベースの太陽電池を作るために用いられる高価なマイクロファブリケーション処理を行うことなく、コーティングされたガラス、金属シートなどの安価な基盤上で接合が可能です。

ナノクリスタルでは、強力な電子カップリングを発生させ、長いレンジのエレクトロントランスポートが実現するミニバンドを形成するように、微少なスペースをナノクリスタル間に空けて規則正しい3Dアレイに並べることができます。このような構造によって起きる効果の一つは、キャリアクーリング時間を遅らせ、ホットキャリアコレクションの輸送がよりよいフォトポテンシャルを実現するようになることです。実際、3-Dアレイによって、太陽電池に光インプリンティングされる各光線が電子を各セル内でフローさせ、太陽電池の電圧を高める可能性があります。これがホットエレクトロントランスポートと呼ばれる現象です。衝撃イオン化は、3-Dアレイに起因する、もう一つの現象で、この際、一つの電化担体が二つに分かれ、太陽電池デバイス内の電流を増加させます。

上記の現象の両方が、仮想的な3-Dアレイ構造を実現する、微少サイズのナノクリスタルによって実現されています。極小サイズでは、量子機構効果がバルク効果を打ち消し、衝撃イオン化とホットエレクトロントランスポートを実現します。既存の半導体は、どれほどよくできていても、Ｅｖｉｄｅｎｔのナノクリスタル（2-10nm）の直径、ナノサイズで実現される量子効果を活用することはできません。量子効果を利用できることで、発電能力がさらに向上し、コストあたりの効率が高まります。

ナノクリスタルは、シェルと呼ばれる保護膜をコーティングして、安定性と効率を向上させ、特性の劣化を防いでいます。このため、長寿命の太陽電池を実現する可能性も高くなります。従来の半導体デバイスでは、太陽光の悪影響を防ぐ分子シェルがないため、より頻繁に交換が必要となり、その結果コスト高となっていました。この点でもナノクリスタルは優位性があります。

ナノクリスタルを高効率で低コストの第三世代太陽電池として使用する可能性については既に認められています。巨大な世界規模の市場が開かれることになるでしょう。多くの分野で太陽発電のメリットが見込まれるため、Evident Technologies社はその技術力により、次世代の太陽電池分野では中心的な役割を果たすことになるでしょう。