日本のエネルギー政策コミュの太陽光発電

まずは物性物理レベルでのブレイクスルーと思われる記事。
電子の格子構造は極めて斬新。従来低次元電子系でも同様の現象を取り扱ったが、温度領域が地租音頭だったりした。常温で発現することの工業的インパクトは計り知れない気がする。

最初のインパクトは光吸収率が非常に高い発電デバイス、「グリーンフェライトによる発電素子」。

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電子誘電体 RFe2O4

池田研では、RFe2O4という希土類(R)を含む鉄の酸化物を扱っています。
この物質は、新しい原理（イオンの並び方でなく電子の並び方）による強誘電体で、この原理を発見したのが池田先生です。

池田研では、良質な試料を作製し、さまざまな条件化での物性測定をしています。さらに、電子デバイスなどへの応用を目指して他の研究室とも協力しています。

研究内容
私たちは、初めて室温で電子が規則配列をとる物質を発見し、“グリーンフェライト®”と名付けました。いままで電子の規則配列（秩序化）は超電導と同じように低温でしか起こりませんでした。 この電子の秩序化は物質中の電子同士のクーロン反発力（電子相関）効果で起ります。 秩序化した電子群は誘電体と同じ特性を持ち「電子誘電体」とも呼ばれます。 こういった特性を持つ材料は今までになかったものですから、さまざまな新しい特性の開拓を行っています。
　グリーンフェライト®は、酸化鉄化合物でRFe2O4 と書かれます。 特に三角形の形にイオン位置を持つことから、様々な不思議なことが起ります。 これらの特性を調べ新しい電子素子を提案しています。


さらに、スピンの向きに関しても、同じような現象が起こります。230K以下で磁場をかけるとスピンの向きがそろいます。
つまり、230K以下では電荷もスピンも秩序だった状態になります。このように複数の秩序だった性質を持つものを、マルチフェロイック物質といいます。マルチフェロイック物質は、電場をかけて磁化が応答したり、磁場をかけて電荷が応答したりする可能性があります。

試料作製
私たちはまず基礎研究ベースで重要な物理現象を捉えるため、 酸素欠損量を0.001% まで制御した良質な単結晶を コンテナレス合成（浮遊帯域徐冷法）します。


極低消費電力トランジスタ
PN 接合を利用した従来型トランジスタでは、駆動電力の省エネ化には限界があります。 一方、グリーンフェライト単結晶・薄膜で作成すれば、順方向電圧降下を持たずに電気伝導度をmW/cc 以下の外部電場で制御することが可能です。

巨大電気磁気効果
RFe2O4 は電気磁気効果が現れると 以前から言われていたにもかかわらず、実験報告はありませんでした。私たちは、磁化の変化の大きなところで誘電率も大きく変化するという、電気磁気効果を世界で最初に観測することに成功しました。
光吸収
現在の太陽電池は、太陽光の波長分布のうち、特に強度の大きい1.5eV付近以上の可視光を駆動源としています。 わたしたちのグリーンフェライトは可視光から赤外線までを取り込む強い吸収領域を持ちます。 このため、赤外線領域からの光吸収過程を応用した新しい太陽電池を開発しています。

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2011年9月19日
バークレー研究所、「バケツリレー」で強誘電体の光起電力が増強されることを解明。次世代の超高出力太陽電池に応用期待
カテゴリー: ナノテクノロジー, 太陽電池 ― SJN @ 12:37 AM

強誘電体に光を当てると非常に高い光起電力が生じることは半世紀ほど前から知られていましたが、それがどのようなプロセスで起こるのかは、これまではっきり分かっていませんでした。今回、バークレー研究所では、独自開発の強誘電体デバイスを使って、この現象が起こる機構の精緻な解明に成功。将来的に、太陽電池の高効率化に応用できる可能性がある成果だとしています。太陽電池で現在よりも高い電圧を出せるなら、より多くの電力をより高い変換効率で生み出せるようになるからです。

研究チームが開発したデバイスは、強誘電体であるビスマスフェライト（BFO）の薄膜を用いるもの。このBFO薄膜では、内部に電荷の偏りがある領域（ドメイン）が縞模様状に並んだ構造が数百μmの範囲で広がっており、それぞれのドメインの幅は50〜300nm程度。各ドメインは、厚さが2nmしかない「ドメインウォール」で隔てられていて、隣り合うドメイン同士は分極方向が逆向きになっているといいます。

こうした広範囲にわたる非常に規則的なドメイン構造を持つBFO薄膜を観察することによって、BFOにかかる電場の位置や強さを精密に調べることができるようになったため、各ドメイン内部や、ドメイン相互間で何が起こっているのかを微視的に理解することができるようになったといいます。

「BFO薄膜に光を当てると、材料自体のバンドギャップ電圧よりも何倍も大きな非常に高い電圧が生じます」と研究チームのリーダー Joel Ager氏は説明します。「入射した光は、電子を自由な状態にし、電子と対をなす正孔を作り出します。そして、太陽電池におけるpn接合がないにもかかわらず、ドメインウォールに対して垂直方向に電流が流れ始めるんです」

ドメインウォールと直角に流れる電流を計測するために、研究チームはBFO薄膜に白金電極を取り付けました。「電極間の距離を離せば離すほど、電流が越えなければならないドメインウォールの数は増え、電圧はより高くなるんです」とAger氏。

この実験結果は、分極方向が逆になっているドメイン間のドメインウォールが、電圧増大のカギとなっていることを明確に示すものであり、BFOの詳細な電荷輸送モデルを構築する手がかりになったといいます。

ドメイン内で余剰電荷がどのように発生し、それが隣のドメインにどのように受け渡されるかを説明するBFOの電荷輸送モデルは、非常にシンプルで、意外なものでした。

●→続き

ドメインウォールの両側はそれぞれ正と負の電荷を帯びており、ここから電場が発生。電場の働きによって、電荷キャリアの分離が促されます。つまり、ウォールの一方の側には電子が集まり、正孔は反発。同じウォールの反対側には正孔が集まり、電子は反発するということです。

太陽電池では、電子と正孔がすぐに再結合すると変換効率は低下しますが、BFO薄膜ではこのキャリアの再結合が起こりません。ドメイン同士の分極方向が逆向きになることによって、ドメインウォールに強力な電場が生じているからです。

「それでもまだ、電子と正孔はペアになろうとして、相手を探します」とAger氏は言います。そこで何が起こるかというと、電子と正孔はドメインウォールから離れ、電場が弱くなるドメイン中央部に向かって、それぞれ移動していくのだといいます。正孔に対して電子が過剰になっているため、余剰電子は一つのドメインから次のドメインへと汲みだされます。それぞれの電子が汲みだされる方向は皆同じで、これは全体の電流によって決まります。

「これは、バケツリレーのようなものです。電子のバケツがドメインからドメインへと受け渡されるわけです」とAger氏は言い、段階的に増加する電圧を「のこぎり歯状のポテンシャル」と表現します。「各ドメインから電荷の寄与が加わるにつれて、電圧は劇的に増加していきます」

ただし、BFO自体は、太陽電池材料の有望な候補ではありません。BFOが反応するのは青色と近紫外の光だけであり、太陽光スペクトルの大部分は発電に利用できないためです。「もっと多くの波長の光を吸収できる材料が必要」とAger氏は言います。

BFOが光に反応する効率（入射した光子に対する電荷キャリアの比率）はドメインウォール近傍で最大になります。そこでは、非常に高い電圧が生じる一方で、高い電流値は欠けています。高出力太陽電池を実現するには、高電圧と同時に高い電流値も必要なのです。

とはいえ、のこぎり歯状ポテンシャルを持っていれば、どんな系であってもこの効果は起こると考えられ、おそらくそれ以外の形状であっても同様の効果は得られるはず、と研究チームは確信しているとのこと。そして、すでに新たな候補材料の探索を開始しています。

強誘電体におけるバケツリレー型の光起電力効果と、現在の最高性能の太陽電池が持っている高い電流値と変換効率が合体することによって、次世代の超高出力太陽電池が生まれるかもしれません。

（発表資料）http://bit.ly/mZsPQE

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2011年7月28日
MIT、太陽がでていなくても発電できる太陽電池を開発
http://sustainablejapan.net/?p=243

原文　http://bit.ly/qcTMk4
概訳　SJN

■wingdaoコメント
ちょっと目を話していた隙に色々な技術進化が行われていた。悔しいような、うれしいよな。