自然再生可能エネルギーへの関心が高まり、太陽電池の開発競争も激しさを増してきた。現在主流となっているシリコン系太陽電池は理論的な変換効率の上限が約30％といわれており、次世代の太陽電池技術が模索されている。中でも、1982年に東京大学 荒川泰彦教授らが提唱した「量子ドット」を用いた太陽電池は、理論的な変換効率が63％という究極の太陽電池として期待されてきた。そして2011年4月、同じ荒川教授らとシャープの研究チームは、従来よりもさらに高い、75％の変換効率を実現できる可能性を示した。夢の太陽電池はどこまで現実に近づいたのか。研究の現状について、荒川教授にうかがった。
東京大学 荒川研が試作した量子ドット太陽電池。
──理論的な変換効率が75％の太陽電池を実現できる可能性について発表されました。シリコン系太陽電池では、理論的な最大効率が30％程度と言われますから2倍以上です。そもそもシリコン系太陽電池ではどうして変換効率を上げることができないのでしょう？
太陽電池では、半導体に光が当たると、エネルギーの低い価電子帯と呼ばれる軌道群にある電子が、エネルギーのより高い伝導帯と呼ばれる軌道群へと移ることができます。これが電圧差を生み、電力を取り出せるわけです。価電子帯と伝導帯のエネルギーの差は半導体の種類により決まっており、これを「バンドギャップ」といいます。
光は波と粒子の2つの性質を併せ持っており、粒子の性質が顕わになるときは光子と呼ばれます。この光子が持つエネルギーの高さは波長によって異なっており、シリコン系太陽電池では（波長の短い）青や緑の光を受け取って、価電子帯にいる電子をエネルギーの高い伝導帯に押し上げることができます。しかし、（波長の長い）赤の光は電子を伝導帯に押し上げるにはエネルギーが足りず、吸収できません。また、高いエネルギーを持っている青い光を受けた場合にも、外部に取り出すことのできるエネルギーはバンドギャップの分だけで、残りは熱に変わって逃げてしまいます。
バンドギャップの小さい半導体を使えば、低いエネルギーの光も吸収できますから、価電子帯から伝導帯に移る電子の数、すなわち電流は増やすことができます。しかし、バンドギャップが小さいということは電圧が低くなることですから、十分な電力を取り出せません（電力＝電圧×電流であるため）。
従来の単接合太陽電池では、バンドギャップよりもエネルギーの低い光は吸収できなかった。また、エネルギーの高い光についても、余剰のエネルギーが熱となって失われていた。
低いエネルギーの光を吸収できないこと、高いエネルギーの光を吸収する際にムダが出ること。この2つが太陽電池の変換効率が上がらない大きな原因です。量子ドットを利用することで、この2つの課題を解決できます。
──量子ドットとはいったいどのようなものでしょう？
量子ドットとは、1982年に私どもが提唱した、10nm（ナノメートル）程度の粒子で、電子を閉じ込める箱の役割を果たします。
量子ドットの電子顕微鏡写真。1つの量子ドットは1万個程度の原子で構成され、人工的な原子「人工原子」として振る舞う。
電子の本質は波です。例えば、管楽器の大きさを調整して、音の波長を半分にできれば1オクターブ高い音を出すことができます。同様に、量子ドットの大きさを変えることで、電子のエネルギー準位（ナノスケールにおいては、粒子が持つエネルギーは飛び飛びの値を取り、これをエネルギー準位という）も変わります。
私たちが研究している量子ドット太陽電池の1つ、「中間バンド型太陽電池」はこの現象を利用します。つまり、量子ドットを導入することで、バンドギャップの中に中間バンドができることになるわけです。これによって、バンドギャップ未満の光でも吸収できるようになります。
バンドギャップは半導体によって決まっている（左）。量子ドットを埋め込むと、普通のバンドギャップの中に中間バンドが形成される。
また、量子ドット同士が隣接していると、そこに閉じ込められた電子は、量子力学のトンネル効果によって、量子ドット間を移動できます。従来の半導体では、電子が移動できるのは、（バンドギャップの両端にある）伝導帯、価電子帯だけでした。ところがトンネル効果によって、中間バンドについても電子の移動できる「ミニバンド」が形成され、より効率的に電気を取り出せるようになります。
さらに、光を複数のバンドギャップで分割して吸収できるため、熱として失われていたエネルギーのロスを減らすことができます。
