東大,コロイド量子ドット3接合太陽電池で30%超

東京大学の研究グループは,コロイド量子ドット太陽電池を用いた波長分割3接合太陽電池を作製し,赤外吸収太陽電池を用いた多接合太陽電池として世界最高性能となる変換効率30%超を達成した(ニュースリリース)。

コロイド量子ドット太陽電池は,塗布製造できる低コストの赤外吸収太陽電池。コロイド量子ドットを用いると,ウエットプロセス利用が可能なため,太陽電池基材の選択の自由度が高く,軽量で屈曲性のある太陽電池の作製が可能。

また,III-V族化合物2接合太陽電池(InGaP/GaAs)薄膜を基板からはがすリフトオフ技術の進展により,高価な基板の再利用が可能になり,高効率を維持しつつ低コスト化が見通せるようになっており,汎用性が高くなることが期待できるという。

研究では,ZnOナノワイヤとPbSコロイド量子ドットを組み合わせ,コロイド量子ドット太陽電池を作製した。この組み合わせにより,太陽光で生じたキャリア(電子または正孔)の輸送特性を維持しながら,光吸収量の増加を実現した。

量子ドットの吸収領域制御を行なった上で,ZnOナノワイヤ集合体に充填することで,混合層を1µm程度まで厚膜化し,赤外光の捕集効率を高めて太陽電池の短絡電流密度として39.8mA/cm2を達成した。

さらに,コロイド量子ドット太陽電池を,従来からあるIII-V族化合物2接合太陽電池(InGaP/GaAs)に組み合わせ,新たに波長分割3接合太陽電池を作った。InGaP/GaAsの2接合太陽電池の吸収端(870nm程度)よりも長波長の太陽光でも,2接合太陽電池の短絡電流密度よりも大きな17.3mA/cm2を発生させることが可能となった。

その結果,InGaP/GaAsの2接合太陽電池と組み合わせた波長分割3接合太陽電池の短絡電流密度は,量子ドットボトムセルの光電流で律速されることがなくなり,変換効率として,2端子接続で30.6%を達成した。ウエットプロセスで作製した赤外吸収太陽電池を用いた多接合太陽電池で,30%超を達成したのは世界初。

日本のカーボンニュートラルの実現には,再生可能エネルギーの主力である太陽光発電の普及拡大が不可欠。研究グループはこの研究を発展させ,低コストで,軽量化と高効率化を兼ね備えた太陽電池を実現できれば,従来の太陽電池の設置環境に加え,狭小地や,車両や航空機などの乗り物への利用も期待できるとしている。

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