太陽エネルギーのために赤を青に変える

太陽エネルギーは、私たちが利用できる最も重要な代替エネルギー源の一つです。ヨーロッパでは、風力タービンの増加に伴い、太陽光パネルを備えた住宅が当たり前の光景となっています。しかし、これらの太陽電池は、最先端の技術と比較すると、特に効率が高いわけではありません。その理由の一つは、そのシンプルな構造にあります。太陽電池は、特殊な電子構造を持つシリコンで作られています。そのため、可視光の全範囲で発電が可能ですが、太陽電池が実際に効率的に発電できるのは、狭い波長範囲に限られます。

この問題を回避するには、材料を慎重に設計し、それぞれのセルが太陽光スペクトルの一部だけを吸収して効率的に電気に変換するようにします。これらのセルは最大40～50%の効率で動作しますが、平方メートルあたりのコストは金メッキのメルセデスよりも高くなります。

対照的に、シリコン太陽電池パネルは現在非常に安価であるため、コストを制限しているのはセル自体ではなく、支持構造と電力変換エレクトロニクスです。これらのコストを削減することは困難であることが判明しているため、太陽電池の効率を向上させることが非常に重要になる可能性があります。最近の論文で、研究者たちはプラズモニクスの力と魔法を用いて、太陽電池の効率をかなり安価に向上させることができる可能性を示しました。

効率の限界

太陽電池は半導体材料をベースにしています。私たちが半導体を何気なく投入してしまうような非導体には、バンドギャップと呼ばれるものがあります。これは、電子を束縛状態から伝導状態へと励起するために必要なエネルギーです。束縛状態では、電子は結合している原子の近くに留まりますが、伝導状態では自由に動き回ることができます。太陽電池は太陽光を利用して電子を束縛状態から伝導状態へと励起し、電子は私たちのために仕事をする際にそのエネルギーを放出します。

さて、このことを理解した上で、エネルギーが緑色光に相当するバンドギャップを持つ物質があると想像してみましょう。この物質に緑色光を照射すると、光は効率的に吸収され、電子が流れ、仕事が引き出されます。赤色光を照射すると、個々の光子のエネルギーが低すぎて電子を伝導状態に励起することができないため、光はそのまま通過し、仕事は発生しません。一方、半導体に青色光を照射すると、電子に過剰なエネルギーを与えてしまいます。余分なエネルギーはすぐに熱として放出され、バンドギャップエネルギーまで低下します。そのため、得られる利用可能なエネルギーは緑色光と同じ程度になってしまいます。

積層型太陽電池の仕組みは、表面が青色光を吸収し、裏面が赤色光を吸収し、その間に緑色光を吸収する材料が挟まれています。

もし半導体にバンドギャップよりも低いエネルギーの光子を吸収させることができたらどうなるでしょうか？そうすれば、帯域幅をより高いエネルギーに調整し、同じ材料を使ってより赤い色の光を捉えることができるようになります。同時に、青色光からのエネルギー損失も少なくなります。

ウェストバージニア大学の研究者たちが主張しているのはまさにこれです。ただし、現時点では太陽光発電ではなく光触媒を用いて実証しています。しかし、この仕組みを説明するには、多くの概念を駆使する必要があります。曲がりくねった説明の道のりを覚悟してください。

量子力学の魔法

研究者たちが用いたトリックは、染料分子によく見られる現象にヒントを得たものです。青色光を吸収して緑色光を発する染料分子と、緑色光を吸収して赤色光を発する染料分子があるとします。これらを混ぜ合わせ、青色光を照射すると、主に緑色の光が観測されます。しかし、よく見ると、時折赤色の光も見えます。

染料分子を化学的に結合させ、互いに非常に接近させる（この文脈では「ほぼ接触」という意味ですが）ことで、赤色を強調することができます。青緑色の染料分子がすべて緑赤色の染料分子とペアになっている場合、その混合物に青色光を照射すると、多くの赤色光が発生します。

2つの色素分子の励起状態間の近接性と重なりが非常に大きいため、エネルギーは非放射過程、つまり光は放出されずにエネルギーが伝達されるという点がポイントです。分かりやすく説明すると、1つの電子がすぐに基底状態に戻り、光子を放出し、それが隣接する分子にすぐに吸収される様子を想像してみてください。しかし、この光子は仮想光子と呼ばれるもので、観測されることはありません。

このプロセスのもう 1 つの重要な特徴は、一方通行であることです。つまり、高エネルギーの青い光子から低エネルギーの赤い光子へと流れ、その逆方向には決して流れません。

水を上流に流す

量子力学には、私がよく繰り返す神話があります。原子は本質的に離散的な電子構造を持っています。原子をある状態から別の状態へ励起するには、適切な量のエネルギーを与える必要があります。つまり、光子のエネルギー（光の色）が遷移に必要なエネルギーと一致している必要があるのです。

これは全くの嘘です。このエネルギーは、単一光子が吸収され遷移を引き起こす確率が最も高い点に対応しています。しかし、それより低いエネルギーでも高いエネルギーでも、確率はゼロではありません。確率を記述する関数は、最大値から外れると急激に減少することはあっても、正式にはゼロになることはありません。

通常、これは問題になりません。しかし、光の色が正しい色に近く、光の強度が十分である場合、電子と光場との相互作用によってエネルギー準位構造が歪められます。このように考えてみてください。状態間の遷移に必要なエネルギーの正確な値は、ハミルトニアンと呼ばれるものによって決まります。とりわけ、ハミルトニアンは正電荷を持つ原子核と負電荷を持つ電子間の引力によって決まります。

もしこれが本当に起こり得るなら、私たちの周りの世界は大きく変わるでしょう。しかし、このような振る舞いは、かなり綿密に調整された条件下でなければ観察されません。なぜなら、ハミルトニアンが明確に定義された周波数で振動する必要があるからです。つまり、電子も明確に定義された周波数で振動する必要があるということです。

これは通常起こりません。なぜなら、原子が他の原子と衝突するたびに電子の振動が乱され、振動が停止してしまうからです。振動が立ち上がるにはある程度の時間がかかるため、エネルギー準位の分裂を観測するには、これらの乱れが振動の立ち上がりよりも遅い時間スケールで発生する必要があります。しかし、混沌とした世界では、これらの乱れは振動の立ち上がりよりもはるかに速く発生するため、通常はエネルギー準位の分裂を観測できません。

もっと力が必要だ

ここでプラズモンの魔法が活躍します。研究者たちは小さな金の球体を作り、それを半導体材料で包みました。金は導体であり、周囲に自由電子を持っています。光線の振動場によって、金の球体中のこれらの電子は前後に揺れ動きます。そして、光の色が正しく合えば、その揺れは非常に激しくなり、電子は球体の片側に集まり、それから反対側へと移動します。球体の端では、電子によって生じる電場が非常に大きくなります。

金の周囲に置かれた半導体は、この電場を感じます。半導体は電場がどのように発生するかは知りませんし、気にも留めません。半導体が知っているのは、電子が共鳴して振動を始めることだけです。そして、この電場は非常に大きいため、振動は信じられないほど速く増加します。通常の実験室環境では数ピコ秒（10 -12 秒）かかるの^に対し、半導体では数フェムト秒（10 ^-15秒）程度です。その結果、半導体のバンドギャップ（原子の励起状態に相当）全体が光電場と共鳴し、通常は無視される光子を吸収できるようになります。

かわいらしい金色のソーラーパネル

この論文には多くの補足資料が添付されていますが、実際には、真の科学的な内容がすべて詰まった補足資料の宣伝のようなものです。これらを合わせると、バンドギャップをシフトさせることに本当に成功したと確信できます。

しかし、この研究の目的は、光起電力装置がより低エネルギーの光子を利用できるように、光子エネルギーを変化させることだということを忘れてはなりません。そして、彼らは太陽光発電装置を作ったわけではありません。代わりに、光触媒反応に着目しました。彼らの半導体である酸化銅は、伝導帯に供与できる電子があれば、色素分子の分解を触媒します。これにより、活性測定が容易になりました。反応が進むにつれてサンプルの発光は弱まり、周囲の色素が少なくなるため、伝導帯で利用可能な電子が増えることを意味します。