"悪い"効果が太阳光発电に役に立つ 高効率な太阳电池の材料を探す新しい指针
エネルギー散逸とデコヒーレンスを利用した高効率太阳光発电の模式図
デコヒーレンスを伴う少量のエネルギー散逸は、励起子を発光する状态から発光しない“暗い”状态への不可逆的な変化を引き起こします。この现象によって、半导体のカーボンナノチューブの场合、励起子の寿命は50倍近く伸びることがわかりました。
© 2016 Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, and Masatoshi Imada.
東京大学大学院工学系研究科の山田 康博特任研究員（現大阪大学理学研究科物理学専攻）、今田正俊教授、同附属量子相エレクトロニクス研究センターの山地洋平特任講師らの研究グループは、太陽光発電に悪い影響を及ぼすと考えられていたエネルギー散逸やデコヒーレンスが、実は効率改善に役に立つという直観に反する原理を、数値シミュレーションを用いて実証しました。この結果は高効率な太阳电池の材料を探す新たな指針に貢献するものと期待されます。
太阳电池は太阳光を电気エネルギーに変换します。太阳电池は光子（光の量子）を电子の伝导エネルギーへ変换する装置とも言えます。この変换では、电子と正孔（电子の抜けた穴）の络みあった励起子が中间状态として重要な役割を果たします。太阳电池が光を吸収すると同时に生成された励起子が、电子と正孔に电荷分离し异なる电极に移动することで电流が流れます。このプロセスでは一见、光子の吸収率が高ければ高いほど励起子の生成を促し、电子のエネルギーに変换する効率が高くなるように见えます。しかし高い吸収率は、その逆の过程、すなわち励起子が光子へ戻る过程も増大させ励起子寿命を缩めるため、后に励起子が电子と正孔に分离する确率を减少させる、という二律背反する状况が生じます。
山田特任研究员らの研究グループは、植物の光合成の过程からヒントを得て、今まで効率を下げる要因だと考えられていたエネルギー散逸とデコヒーレンスが、励起子が光子に戻る过程の抑制に利用でき、効率を上げる上で有用であることを、半导体カーボンナノチューブを例にして、理论的に示しました。エネルギー散逸とデコヒーレンスは、生成后の励起子を発光しない&谤诲辩耻辞;暗い&谤诲辩耻辞;状态に不可逆的に変化させ、励起子の寿命を长くするためです。
このような&濒诲辩耻辞;暗い状态&谤诲辩耻辞;が有効に働く物质では励起子が光に戻る过程が抑えられるので、弱い発光しか返ってきません。この结果、&濒诲辩耻辞;暗い&谤诲辩耻辞;物质は、内部欠陥によりエネルギーを完全に失っていると解釈され、これまで太阳电池の候补物质から外れていました。しかし、実际にはそうではなく、エネルギーが物质の&濒诲辩耻辞;暗い&谤诲辩耻辞;状态に蓄えられている可能性があります。
今回の成果によって明らかになった&谤诲辩耻辞;悪い&谤诲辩耻辞;効果の良い侧面は、今まで太阳电池の材料として见过ごされ、探索されてこなかった物质に光をあて、より効率の良い太阳光エネルギーの利用につながると期待されます。
论文情报
, "Exciton Lifetime Paradoxically Enhanced by Dissipation and Decoherence: Toward Efficient Energy Conversion of a Solar Cell", Physical Review Letters Online Ediition: 2015/11/6 (Japan time), doi:10.1103/PhysRevLett.115.197701.
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