量子ドット太陽電池

量子ドットは、励起子ボーア半径よりも小さくなった半導体粒子であり、量子力学的な考察により、その内部に存在できる電子エネルギーは有限となり、原子内のエネルギーとよく似ている。量子ドットは「人工原子」とも呼ばれている。これらのエネルギー準位は、そのサイズを変えることで調整可能であり、それによってバンドギャップが定義される。ドットはさまざまなサイズで成長させることができ、基となる材料や製造技術を変えることなく、さまざまなバンドギャップを表現できる。^{[ 11 ]}一般的な湿式化学の調製では、合成時間や温度を変えることで調整が行われる。

バンドギャップを調整できる能力により、量子ドットは太陽電池に望ましい材料となっています。太陽の光子分布スペクトルに関して、ショックレー・クイサー限界は、最大の太陽光変換効率がバンドギャップ1.34 eVの材料で発生することを示しています。しかし、バンドギャップが小さい材料は、より低いエネルギーの光子から電気を生成するのに適しています（逆もまた然り）。硫化鉛（PbS）コロイド量子ドット（CQD）を使用した単接合実装では、バンドギャップを遠赤外線に調整できます。これは、従来の太陽電池では通常達成が難しい周波数です。地球に到達する太陽​​エネルギーの半分は赤外線であり、そのほとんどは近赤外線領域にあります。量子ドット太陽電池は、赤外線エネルギーを他のエネルギーと同様に利用できるようにします。^{[ 12 ]}

さらに、CQDは合成と調製が容易です。コロイド状液体に懸濁されているため、製造工程全体を通して容易に取り扱うことができ、必要な最も複雑な設備はドラフトチャンバーのみです。CQDは通常、少量生産されますが、大量生産も可能です。ドットは、手作業または自動プロセスによるスピンコーティングによって基板上に塗布できます。大規模生産では、スプレーオン方式やロール印刷方式を採用することで、モジュール製造コストを大幅に削減できます。

もう一つの現代的な太陽電池設計は、色素増感太陽電池（DSSC）です。DSSCは、スポンジ状のTiO2層を使用しています。_{2 は}半導体バルブとしてだけでなく、機械的な支持構造としても機能します。製造中、スポンジには有機染料（通常はルテニウム-ポリピリジン）が充填され、光励起によって二酸化チタンに電子を注入します。 ^{[ 19 ]}この染料は比較的高価であり、ルテニウムは希少金属です。 ^{[ 20 ]}

分子色素の代替として量子ドットを使用することは、DSSC研究の初期の頃から検討されていました。バンドギャップを調整できることで、設計者はセルの他の部分に幅広い種類の材料を選択できるようになりました。トロント大学とローザンヌ連邦工科大学の共同研究グループは、背面電極が量子ドットのフィルムと直接接触し、電解質が排除され、空乏型ヘテロ接合を形成する設計を開発しました。これらのセルは7.0%の効率を達成し、最高の固体DSSCデバイスよりも優れていますが、液体電解質に基づくものよりは劣ります。^{[ 15 ]}

従来、多接合型太陽電池は複数の半導体材料を組み合わせて作られてきた。各材料はバンドギャップが異なるため、それぞれの材料のpn接合は異なる入射波長の光に対して最適化される。複数の材料を用いることで、より広い波長範囲の光を吸収することが可能になり、太陽電池の電気変換効率が向上する。

しかし、複数の材料を使用すると、多接合型太陽電池は多くの商業用途には高価になりすぎます。^{[ 21 ]}量子ドットのバンドギャップは粒子の半径を調整することで調整できるため、異なるサイズ（したがって異なるバンドギャップ）の量子ドット半導体を組み込むことで多接合型セルを製造できます。同じ材料を使用すると製造コストが下がり、^{[ 22 ]}量子ドットの強化された吸収スペクトルを使用して短絡電流とセル全体の効率を高めることができます。

テルル化カドミウム（CdTe）は、複数の周波数を吸収するセルに使用されます。これらの結晶のコロイド懸濁液を、導電性ポリマーで封止された薄いガラススライドなどの基板上にスピンキャストします。これらのセルは量子ドットを使用していませんが、スピンキャストや薄膜導体の使用など、量子ドットと共通の特徴を持っています。少量生産の場合、量子ドットは大量生産されたナノ結晶よりも高価ですが、カドミウムとテルルは希少で毒性の高い金属であり、価格変動の影響を受けやすいです。

サージェントグループは、当時記録的な効率の赤外線太陽電池を製造するために、赤外線に敏感な電子ドナーとして硫化鉛を使用しました。スピンキャスティングにより、大幅にコストを削減して「タンデム」セルを構築できる可能性があります。オリジナルのセルは電極として金基板を使用していましたが、ニッケルでも同様に機能します。^{[ 23 ]}

効率を向上させるもう一つの方法は、単一バンドギャップ材料から放出される電子の余剰エネルギーを捕捉することです。シリコンなどの従来の材料では、放出部位から電子を回収する電極までの距離が長すぎるため、この方法は実現できません。電子は結晶材料や格子と何度も相互作用し、その余剰エネルギーを熱として放出してしまうのです。代替案として非晶質薄膜シリコンが試されましたが、これらの材料に固有の欠陥がその潜在的な利点を上回ってしまいました。現代の薄膜太陽電池は、一般的に従来のシリコン太陽電池よりも効率が劣ります。

ナノ構造ドナーは、欠陥の問題を回避する均一なフィルムとして鋳造することができる。^{[ 24 ]}これらは、量子ドットに固有の他の問題、特に抵抗率の問題や熱保持の問題の影響を受けるだろう。

単層太陽電池の最大効率を 33.7% に設定するショックレー・クイサー限界は、入射光子 1 つにつき電子-正孔対 (励起子) が 1 つしか生成されないことを前提としています。多重励起子生成 (MEG) は、入射高エネルギー光子 1 つにつき 2 つ以上の励起子を生成できる励起子緩和経路です。^{[ 25 ]}従来の光起電力では、この余剰エネルギーは格子振動 (電子-フォノン結合) としてバルク材料に失われます。MEG は、この余剰エネルギーがバンドギャップを越えて追加の電子を励起するために伝達され、そこで短絡電流密度に寄与できるときに発生します。

量子ドット内では、量子閉じ込めによってクーロン相互作用が増加し、MEGプロセスが促進されます。^{[ 26 ]}この現象は、バルク半導体における励起子緩和の支配的な方法である電子-フォノン結合の速度も低下させます。フォノンのボトルネックはホットキャリアの冷却速度を遅くし、励起子が他の緩和経路をたどることを可能にします。これにより、量子ドット太陽電池ではMEGが支配的になります。MEGの速度は、量子ドットのリガンド化学を調整すること、および量子ドットの材料と形状を変更することによって最適化できます。

2004年、ロスアラモス国立研究所は、量子ドットが単一の高エネルギー光子を吸収すると、複数の励起子を効率的に生成できるという分光学的証拠を報告した。^{[ 27 ]}これらを捕捉することで、太陽光のエネルギーをより多く捉えることができる。このアプローチは「キャリア増倍」（CM）または「多重励起子生成」（MEG）として知られており、量子ドットは、高エネルギーで1つの電子-正孔対を放出するのではなく、低エネルギーで複数の電子-正孔対を放出するように調整されている。これにより、光電流が増加し、効率が向上する。LANLのドットはセレン化鉛から作られた。

2010年、ワイオミング大学はDCCSセルを使用して同様の性能を実証した。鉛硫黄（PbS）ドットは、入射光子がバンドギャップエネルギーの約3倍である場合に2電子放出を示した。^{[ 28 ]}

2005年、NRELは量子ドットでMEGを実証し、光子あたり3個の電子を生成し、理論効率は65%であった。^{[ 29 ]} 2007年には、シリコンで同様の結果を達成した。^{[ 30 ]}

2014年、トロント大学の研究グループは、酸素と結合しないように特殊処理を施したPbSを用いたCQD n型セルを製造し、実証した。このセルは8%の効率を達成し、現在のQD効率記録にわずかに及ばなかった。このようなセルは、コーティングされていない「スプレーオン」セルの可能性を生み出す。^{[ 31 ] [ 32 ]}しかし、これらの空気中で安定なn型CQDは、実際には酸素のない環境で製造された。

また、2014年には、MITの別の研究グループが、空気中で製造された空気安定性ZnO/PbS太陽電池を実証し、光をうまく吸収し、セルの端にあるコレクターに電荷を輸送することで、認証済みの記録的な8.55%の効率（実験室では9.2%）を達成しました。^{[ 33 ]}これらのセルは、量子ドット太陽電池としては前例のない空気安定性を示し、空気中で150日以上保管しても性能は変化しませんでした。^{[ 16 ]}

量子ドット太陽電池はまだ大量生産には至っていないものの、いくつかの小規模な商業プロバイダーが量子ドット太陽光発電製品の販売を開始している。投資家や金融アナリストは、量子ドット太陽光発電を太陽光発電産業の将来有望な技術として認識している。^{[ 35 ]}

• Quantum Materials Corp. (QMC) と子会社の Solterra Renewable Technologies は、太陽エネルギーや照明用途で使用するための量子ドットやナノ材料を開発・製造しています。ペロブスカイト量子ドットの特許取得済み連続フロー製造プロセス^{[ 36 ]}により、 QMC は量子ドット太陽電池の製造コストを削減するとともに、ナノ材料を他の新興産業にも応用することを目指しています。
• QD Solarは、量子ドットの調整可能なバンドギャップを利用して、多接合型太陽電池を開発しています。高効率シリコン太陽電池と量子ドットを用いた赤外線太陽電池を組み合わせることで、QD Solarはより多くの太陽光スペクトルを有効活用することを目指しています。QD Solarの無機量子ドットは、高スループットかつコスト効率の高い技術で製造されており、高分子ナノ材料よりも光や空気に対する安定性に優れています。
• UbiQD社は、量子ドットを蛍光体として用いた太陽光発電窓を開発している。同社は、従来の代替品よりも安価で毒性の低い近赤外線量子ドットを用いた発光型太陽光集光器（LSC）を設計した。UbiQD社は、受動的な建物をエネルギー生成ユニットに変えると同時に、建物の熱負荷を低減する半透明窓の提供を目指している。
• ワルシャワ証券取引所に上場しているBIPVメーカーのML System SAは、2020年から2021年の間にQuantumGlass製品の量産を開始する予定です。^{[ 37 ] [ 38 ]}