より軽量で効率的な太陽電池は網膜のように見える

携帯機器用の太陽電池は、もうすぐ実現するかもしれません。ナノスケールにおける特異な光学効果に関する最近の発見により、より薄く軽い太陽電池で、より幅広いスペクトルの光を吸収することが可能になりました。

現在、太陽電池は高価でかさばるため、一般消費者には到底手の届かないものであり、ポケットに入れて持ち歩きたい小型デバイスにはあまり実用的ではありません。Technology Reviewによると、一般的な太陽電池の厚さは少なくとも100マイクロメートルです。世界中の研究機関や企業がより薄い太陽電池の開発に取り組んでいる一方で、これらの薄い太陽電池には大きな欠点が一つあります。それは、厚い太陽電池に比べて光の吸収量が少ないことです。

幸いなことに、新しい技術が将来この状況をすべて変え、より軽量で薄く、より効率的な太陽電池を、私たちが使う最も小さなガジェットにも搭載できるようになるかもしれません。カリフォルニア工科大学応用物理学・材料学科のハリー・アトウォーター教授と、ノースウェスタン大学電気工学・コンピュータサイエンス学科のコレイ・アイディン助教授は、広い底部と尖った先端を持つナノスケールのくさび形を作ることで、より広い波長の光を取り込めることを発見しました。

電磁スペクトルにおける波の波長は、ピコメートル（10の-12乗）から数百メガメートル（10の6乗）に及ぶため、カバーすべき領域は広大です。一般的な太陽電池は、既に狭い可視スペクトルの中でも、さらに狭い帯域、つまり約390ナノメートルから750ナノメートルの波長しか利用できません。

アトウォーター氏とアイディン氏は共同で、光共鳴と呼ばれる特性を利用した超吸収太陽電池を開発しました。電波がアンテナに当たると、アンテナは共鳴し、アンテナのサイズに応じて特定の電波を吸収します。光についても同様で、光が特定のサイズの構造に当たると、その構造は特定の周波数で共鳴し、特定の波長の光のみを吸収します。これは、人間の目の桿体細胞と錐体細胞の働きにも似ています。桿体細胞と錐体細胞は、サイズによって吸収する波長が異なります。

アトウォーターとアイディンが開発した太陽電池は、先端が尖っていて底部が広い、長さの異なるナノスケールのくさび形構造を採用しています。青色光（440～500 nm）は先端で吸収され、赤色光（625～740 nm）は底部で吸収されます。

この材料は、銀をベースに二酸化ケイ素の層を重ね、さらに銀の層を重ねてくさび状のパターンを形成しています。くさび状のパターンは先端部分で40ナノメートル、このフィルム材料の総厚は260ナノメートルであることが実証されています。しかし、Technology Reviewによると、同研究チームは220ナノメートルのフィルムも開発しており、このフィルムはパターンのない25倍の厚さのフィルムと同等の光量を吸収できるとのことです。

ネイチャー誌に掲載された研究結果（読むには購読または論文の購入が必要）によると、このフィルムは可視スペクトル全体にわたって光を吸収することができ、平均測定吸収率は 71%、シミュレーション吸収率は 85% だという。

いつかこの新素材が、あなたのノートパソコンや携帯電話に採用される日が来るかもしれません。超高速充電バッテリーと組み合わせれば、未来はきっと明るいでしょう！

[ネイチャー・テクノロジー・レビュー]

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