米国、平均光電吸収率80パーセントの新しい量子太陽電池材料を開発

海外メディアの報道によると、米国リーハイ大学（Lehigh University）の研究者らは最近発表した研究報告の中で、新しい薄膜太陽電池吸収材料を開発したと主張しており、この材料の平均光電吸収率は80％、外部量子効率（EQE）は190％だという。

外部量子効率 (EQE) は、PV セルが収集する電子の数と入射光子の数の比率です。これは、PV セルが光子を電流に変換する能力を定義します。この研究の主執筆者の 1 人である Chinedu Ekuma 氏は声明で、「従来の太陽電池では、最高の外部量子効率 (EQE) は 100 パーセントで、これは太陽光から吸収された光子 1 つにつき 1 つの電子が生成され収集されることを表します」と述べています。

サイエンス・アドバンス誌に掲載された「太陽光発電用途の原子厚CuxGeSe/SnS量子材料の化学的に調整された中間バンド状態」と題する論文で、研究者らは、新しい量子材料が中間バンド太陽光発電セル（IBSC）に理想的に適合する可能性があると説明している。

このような太陽電池は、単一の pn 接合を持つ太陽電池で達成できる理論上の最大効率であるショックレー・クエイザー限界 (SQ 限界) を超える可能性があります。これは、入射する各光子から抽出される電気エネルギーの量を調べることで計算されます。

研究者らは次のように説明している。「この材料の効率が急速に向上したのは、主にそのユニークな『中間バンド状態』、つまり材料の電子構造内に位置する特定のエネルギーレベルによるもので、光電変換に最適です。これらの状態のエネルギーレベルは、最適なサブバンドギャップ、つまり材料が効率的に太陽光を吸収し、電荷キャリアを生成できるエネルギー範囲の範囲内にあります。」

この新素材は2次元ファンデルワールス（vdW）素材で、イオン結合で保持された結晶平面構造を持っています。この素材は、ゲルマニウム（Ge）、セレン（Se）、硫化スズ（Sns）のヘテロ構造で構成され、ゼロ価の銅（Cu）原子が素材層に挿入されています。

CuxGeSe/SnS 量子材料は、0.78 eV から 1.26 eV の間の中間エネルギーバンドギャップを持っています。研究者はこれを利用して、この材料を活性層として使用して薄膜太陽電池をシミュレートするように設計およびモデル化しました。

このモデリングでは、PV セルはインジウムスズ酸化物 (ITO) 基板、酸化亜鉛 (ZnO) ベースの電子輸送層 (ETL)、CuxGeSe/SnS 吸収層、および金 (Au) 接点を使用します。この研究ジュニアは、「私たちの設計では、原子レベルの厚さの GeSe と SnS が垂直に積み重ねられており、ファンデルワールス相互作用を通じてハイブリッド構造の容易な統合に貢献しています」と述べています。

モデリングの結果、この太陽電池の外部量子効率（EQE）は110%～190%であることが分かりました。また、研究者らは、吸収体の厚さを測定することで、600nm～1200nmの波長範囲で太陽電池の光学活性が増加することも発見しました。

研究者らは論文の中で、「この材料の高速応答と効率の向上は、銅挿入型 GeSe/SnS が先進的な太陽光発電用途の量子材料としての可能性を強く示唆しており、太陽光発電の変換効率を向上させる新たな道筋を提供する」と結論付けている。

研究者らは、今後、この新素材を太陽電池に組み込む実用的な方法を見つけるために新たな研究を行う必要があると述べている。しかし、これらの素材を製造するために使用されている実験技術はすでに非常に進歩していると指摘している。