【研究成果】高効率の太陽光発電実現 ～実用化に向け意欲見せる～

　再生可能エネルギーと聞けば、風力、太陽光、バイオマスなどを思い浮かべるだろうか。その中でも、太陽光は何十億年も前から地球システムを成立させてきた必要不可欠なエネルギー源である。この膨大な量の太陽光のエネルギーを有効に活用できるようになれば、我々の生活はより豊かになると言えるだろう。




　工学研究科の湯上浩雄教授に、現在開発している太陽電池について話を伺った。湯上教授は、太陽光を一度熱の形に変換し、再度光に戻すことによって、よりコストが低く効率のよい発電を研究し、その方式での世界トップレベルの発電効率を実現した。

　太陽光電池とは光起電力効果を利用して発電を行う装置のことである。光起電力効果とは、物質に光を当てると起電力が発生する現象のことで、太陽電池のpn接合された半導体に光が照射されることによって発電が可能となる。この現象を引き起こすには、電子の詰まった低いエネルギー準位である充満帯から、電子が自由に動ける高いエネルギー準位である伝導体まで、電子を移動させなければならない。充満帯と伝導体のエネルギー準位の間の区間のことを禁制帯と呼び、そのエネルギー準位差以上のエネルギーを与えると光起電力効果が引き起こされる。

　光のエネルギーは波長に反比例するため、太陽電池は特定の波長より短い波長を持つ光を電気に変換する。そのため、電気に変換することができる光の波長の範囲は限られてしまう。太陽光は、様々な波長の光を含んでいるため、特定の波長の光のみを電力に変えると太陽光の持つポテンシャルに対する発電効率が非常に悪い。そのため、吸収できる波長域の異なる太陽電池を複数枚重ねることで、吸収できる波長域を広くした多接合型の太陽電池による効率のよい発電が模索されてきた。

　湯上教授は太陽電池が吸収できる波長域を広げる方法ではなく、太陽光が持つ光の波長を太陽電池が吸収可能な波長に変換することで、より高効率の発電を目指した。太陽光を一度熱に変換し、それを高温の物体から発生する熱ふく射を利用して、再度特定の波長の光に変換する「Solar-TPVシステム」を用いて、より太陽光の持つエネルギーを効率的に利用しようとする研究が行われている。また、多接合型の太陽電池と違って、何枚もの太陽電池を組み合わせる必要が無いため、製造時にかかるコストが削減される可能性がある。

　湯上教授の研究では、想定される太陽光のポテンシャルに対して10％ほどのエネルギーを電気エネルギーに変換することに成功した。これは、世界でもトップレベルの変換効率である。太陽光の波長をできるだけ効率よく特定の波長付近に変換するため、地道な作業を繰り返したことが今回の成果につながった。湯上教授は、「20％ほどのエネルギーを変換できるようになれば、実用化が可能だ。現在は15％の効率を目指して研究をしている。」と今後の目標を語った。

　また、「Solar-TPVシステム」に用いられる半導体は従来の太陽電池に用いられる半導体とは異なるため、まだ十分に研究が進められているとは言えない。したがって、より効率のよい太陽電池を開発するならば、半導体分野での研究も必要になってくる。今回の成果によって、よりよい半導体の研究が進むことが期待される。