量子ドット太陽電池元年（２）

 

 

師走なると一年を振り返って、♪そこにはただ風が吹いているだけ、という歌詞ほどに思い出すものが何もないわけ
ではない。年頭に量子ドット太陽電池の実用に向けた行動を！と、掲げた旗をみて積極的な賛同も、激しい反対もな
かった。ひとことで言うとわからないのだ。ところが、年末前の風向きは一転追い風になっている。これが一番の印
象だ。そのことを『量子ドット太陽電池元年』と表現した。その思いを担保するのは、半導体製造技術の進歩、つま
り実現する環境が整っているという個人的な確信が背景がある（それは上図のデザインで掲載）。物質・材料研究機
構のサン・リウエン博士らのグループは、Ⅲ－Ｖ族窒化物半導体に多重の中間準位（バンド）を形成することで、太
陽光の高効率吸収に利用することに成功したと公表。従来は活用が難しかった太陽光の幅広い波長成分利用が可能と
なり、太陽電池の効率向上に大きく貢献できると期待される。白色・青色発光デバイス（LED）材料である窒化ガリ
ウムと窒化インジウムが同様の構造を持ち、その波長範囲が太陽光の全波長範囲を含んでいることに着目し、有機金
属化学堆積法（MOCVD）で、n型InGa層上に発電機能の発揮領域に、InGaN／GaN量子井戸構造の 30 層からなり、
In組成を変化させたInGaN 量子ドットを各量子井戸に埋め込んだ構造の中間バンド太陽電池を作製。この太陽電池の
外部量子効率を測定し、2.40，2.29および1.97eＶの複数の中間バンド準位が形成され、本来のInGaNでは利用できな
かった450nmから750nmの光が吸収され電気エネルギー変換していることを確認したという。つまり、ここでも使い慣
れた、インジウム・ガリウム・窒素系半導体製造技術の守備範囲で実現していることがその最大の特徴というわけだ。

 

同様に、高い光熱変換効率素子の製造方法と光熱発電装置、並びに被検出物質の検出方法が大阪府立大学から提案さ
れている。その概要は、金属ナノ粒子集積構造体の基板で、分散液を基板２塗布し乾燥させ金属ナノ粒子集積構造体
を基板に固定。この基板に別の基板に重ねて光熱変換素子を形成。この２つの基板の一方を透過した光で金属ナノ粒
子集積構造体に局在表面プラズモン共鳴を生じ、集積構造体が発熱する。光熱発電装置は光熱変換素子と熱電変換部
とで構成、光照射で発生した熱で分散液中の熱凝固性材料または熱溶解性材料を被検出物質として凝固または溶解さ
せて被検出物質を検出するという新規考案だ。

 　　

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ 光熱変換素子、１Ｃ 太陽電池／光熱変換素子、２，３ 基板、２ａ，３ａ ＰＥＮフィルム、２ｂ，３ｂ ＩＴＯ膜、４，５ マ
スキングテープ、６ 希釈分散液、６ａ 領域、６ｂ 水滴、７ 塗布面、１０ 金属ナノ粒子集積構造体、１１ ビーズ、１２ 金属ナノ粒子
、１２Ａ クラスター、２０ 熱電変換部、２１，２１ａ，２１ｂ 高温部、２２，２３，２２ａ～２２ｃ 低温部、２４，２４ａ，２４ｂ Ｐ型熱電半導体、
２４ｈ 正孔、２５，２５ａ，２５ｂ Ｎ型熱電半導体、２５ｅ 電子、２７ ヒートシンク、３１ａ，３１ｂ，３４ａ～３４ｃ 電極、３２ａ，３２ｂ，３３ａ～
３３ｃ，３５ａ～３５ｃ 導電性ペースト、４０ 光源、４１ 光、５０ 負荷、６１ 酸化チタン、６２ 増感色素、６３ 電解質溶液、１００～１０３
光熱発電装置

ここで、ビーズ１１の平均粒径は、０.１～１０μｍ。たとえば樹脂粒子で、アクリル、ポリオレフィン、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどで形状は球形・非球形にとらわれず、金属ナノ粒子１２を高密度に集積化す
ることが可能であればよい。また、金属ナノ粒子１２は、紫外～近赤外域の光により、局在表面プラズモン共鳴を起
こしうる金属ナノ粒子で、金ナノ粒子あるいは銀ナノ粒子を採用、その平均粒径は５～５０ｎｍである。

産業上の利用方法には、太陽光を光熱発電できる、携帯情報端末（携帯電話、タブレットなど）のコンセントフリー
電源、車載機器（カーナビゲーションシステムなどの補機やバッテリー）の補助電源、人工衛星用の太陽光発電装置、
住宅の屋根、窓などに設置可能な太陽光発電装置に利用できる。また、熱源あるいは温度制御装置として利用するこ
とができ、熱源利用には、たとえば患部に貼り付けて局所加熱するなどの温熱療法などの医療用途に用いることもで
きる。この他、化学反応効率を高めることにも利用できる。さらに、熱凝固性物質の凝固や熱溶解性材料の溶解に用
いることができる。たとえば光誘起発熱効果利用した熱変性タンパク質のマイクロ制御、検出などバイオ・医療技術
として利用できる。凝固した熱凝固性物質をレーザ光で切断し微細加工に利用できるという。


さて、下図は、シャープから、太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置太陽電池の新規提案されているもの。モジ
ュールは、外部から入射した光を蛍光体で吸収し、蛍光体から放射された蛍光を内部で伝播する導光体と、光入射面
と対向する面設置した太陽電池素子とで構成し、導光体は、太陽電池素子受光面の対向領域と周辺領域で構成し、導
光体の周辺領域の一部に蛍光体が備えることで、外光を利用して効率よく発電できる太陽電池モジュールである。

【符号の説明】

１…太陽電池モジュール、４…導光体、４ａ…光入射面、４ｃ…光射出面、４Ｆ…周辺領域、４Ｔ…対向領域、５…
導光体、５ａ…光入射面、５ｃ…光射出面、５Ｆ…周辺領域、５Ｔ…対向領域、６…太陽電池素子、６ａ…受光面、
７…反射層、８，８ａ，８ｂ，８ｃ…光機能材料（蛍光体）、９…反射層、１０，１１，１２…太陽電池モジュール、
１３…導光体、１３ａ…光入射面、１３ｃ…光射出面、１３Ｆ…周辺領域、１３Ｔ…対向領域、１４，１５，１６，
１７…太陽電池モジュール、１８…光機能材料を含まない層、１９…光機能材料を含む層、２０…導光体、２０ａ…
光入射面、２０ｃ…光射出面、２０Ｆ…周辺領域、２０Ｔ…対向領域、２１…太陽電池モジュール、２２…光機能材
料を含まない層、２３…光機能材料を含む層、２４…光機能材料を含まない層、２５…導光体、２５ａ…光入射面、
２５ｃ…光射出面、２５Ｆ…周辺領域、２５Ｔ…対向領域、２６…太陽電池モジュール、２７…光機能材料を含む層、
２８…光機能材料を含まない層、２９…導光体、２９ａ…光入射面、２９ｃ…光射出面、２９Ｆ…周辺領域、２９Ｔ
…対向領域、３０…太陽電池モジュール、３１…光機能材料を含む層、３２…光機能材料を含まない層、３３…導光
体、３３ａ…光入射面、３３ｃ…光射出面、３３Ｆ…周辺領域、３３Ｔ…対向領域、３４…太陽電池モジュール、
３５…光機能材料を含む層、３６…導光体、３６ａ…光入射面、３６Ｆ…周辺領域、３７…太陽電池モジュール、
３８…導光体、３８ａ…光入射面、３８ｃ…光射出面、３８Ｆ…周辺領域、３８Ｔ…対向領域、３９…太陽電池モジ
ュール、４０…導光体、４０ａ…光入射面、４０ｃ…光射出面、４０Ｆ…周辺領域、４０Ｔ…対向領域、Ｌ…外光、
Ｌ１…蛍光

ところで、光体４は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料または無機材料の
基材（透明基板）の内部に、光機能材料８を分散させたものである。また、光機能材料８としては、例えば、紫外光
または可視光を吸収して可視光又は赤外光を放射する蛍光体が含まれている。なお、可視光は３８０ｎｍ以上７５０
ｎｍ以下の波長領域の光で、紫外光は３８０ｎｍ未満の波長領域の、赤外光は７５０ｎｍよりも大きい波長領域の光
であり、光機能材料は、BASF社製のLumogen Red 305（商品名）が用いられている。Lumogen Red 305（商品名）は、
５７８ｎｍに発光スペクトルのピーク波長をもつ蛍光体で。光機能材料は１種類の蛍光体でなく、幅広い波長の光を
吸収する複数種類の蛍光体を備えてもよい。

エッジグロー効果

ここでは、複数利用例として、第１蛍光体８ａ：BASF社製Lumogen F Violet 570（商品名） ０.０２％、第２蛍光体
８ｂ：BASF社製Lumogen F Yellow 083（商品名） ０.０２％、第３蛍光体８ｃ：BASF社製Lumogen F Red 305（商品
名） ０.０２％が実施例１２で使用されている。

上図はモジュール３４に用いられる導光体３６の断面図。導光体３６は、光機能材料を含む第１の層３５と、光機能
材料を含まない第２の層１８とを積層して形成されている。本実施形態の場合、第１の層３５には、光機能材料とし
て、互いに吸収波長域の異なる複数種類の蛍光体が分散されている。第１蛍光体８ａは、紫外光を吸収して青色の蛍
光を放射し、第２蛍光体８ｂは、青色光を吸収して緑色の蛍光を放射し、第３蛍光体８ｃは、緑色光を吸収して赤色
の蛍光を放射する。第１の層３５と第２の層１８は、粘着剤によって剥離可能に接着されている。第１の層３５は、
破損、劣化、又は異物（砂埃や鳥の糞など）の付着などが生じた場合に、第２の層１８から剥離して交換される。第
１の層３５と第２の層１８は外光入射側からこの順に配置されている。第１の層３５の第２の層１８と反対側の面は
導光体３６の第１主面３６ａであり、第２の層１８の第１の層３５とは反対側の主面は導光体３６の第２主面である。
太陽電池素子は、導光体３６の第２主面３６ｂに設置されている。導光体３６の第１主面３６ａは、外部から光Ｌが
入射する光入射面であり、導光体３６の第２主面３６ｂのうち太陽電池素子６が設置されている部分は、太陽電池素
子６に光Ｌ１を射出する光射出面である。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの混合比率は、例え
ば以下の通りである。なお、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの混合比率は基材に対する体積比
率で示している。それが、前述した蛍光体三種の数値である。 


図17ないし図20は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃの発光特性及び吸収特性を示す図である。
図17において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａによって紫外光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「
第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂによって青色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示し、「第３蛍光体」は、
第３蛍光体８ｃによって緑色光が吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図18において、「第１蛍光体＋第２蛍
光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃによって紫外光、青色光及び緑色光が
吸収された後の太陽光のスペクトルを示す。図19において、「第１蛍光体」は、第１蛍光体８ａの発光スペクトルで
あり、「第２蛍光体」は、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルであり、「第３蛍光体」は、第３蛍光体８ｃの発光スペ
クトルである。図20において、「第１蛍光体＋第２蛍光体＋第３蛍光体」は、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び
第３蛍光体８ｃを含む導光体の第１端面から射出される光のスペクトルである。図17及び図18に示すように、第１蛍
光体８ａは、概ね420ｎｍ以下の波長の光を吸収し、第２蛍光体８ｂは、概ね420ｎｍ以上520ｎｍ以下の波長の光を
吸収し、第３蛍光体８ｃは、概ね520ｎｍ以上620ｎｍ以下の波長の光を吸収する。第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ
及び第３蛍光体８ｃによって、導光体に入射した太陽光のうち620ｎｍ以下の波長の光が概ね全て吸収される。太陽
光のスペクトルにおいて波長が620ｎｍ以下の光の割合は37％程度である。よって、導光体の光入射面に入射した光
のうち３７％は導光体に含まれる第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃに吸収される。図19に示すよ
うに、第１蛍光体８ａの発光スペクトルは、430ｎｍにピーク波長を有し、第２蛍光体８ｂの発光スペクトルは、520
ｎｍにピーク波長を有し、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルは、630ｎｍにピーク波長を有する。しかしながら、図
20に示すように、第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ及び第３蛍光体８ｃを含む導光体の第１端面から射出される光の
スペクトルは、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（630ｎｍ）に対応する波長にのみピーク波長を有し、
第１蛍光体８ａの発光スペクトルのピーク波長（430ｎｍ）及び第２蛍光体８ｂの発光スペクトルのピーク波長（520
ｎｍ）に対応する波長にはピーク波長を有しない。

 
第１蛍光体８ａに対応する発光スペクトルのピーク及び第２蛍光体８ｂに対応する発光スペクトルのピークが消失し
た原因は、フォトルミネッセンス（Photoluminescence ;PL）による蛍光体間のエネルギー移動や、フェルスター機構
（蛍光共鳴エネルギー移動）による蛍光体間のエネルギー移動などが挙げられる。フォトルミネッセンスによるエネルギー
移動は、一の蛍光体から放射された蛍光が他の蛍光体の励起エネルギーとして利用されることにより生じるものであ
る。フェルスター機構は、このような光の発光及び吸収のプロセスを経ずに、近接した２つの蛍光体の間で励起エネ
ルギーが電子の共鳴により直接移動するものである。フェルスター機構による蛍光体間のエネルギー移動は、光の発
光及び吸収のプロセスを介さずに行われるため、最適条件ではエネルギーのロスが小さい。よって、太陽電池モジュ
ールの発電効率の向上に寄与する。本実施形態では、エネルギーロスを抑制して効率よく発電を行うために、第１蛍
光体８ａ、第２蛍光体８ｂおよび第３蛍光体８ｃの密度を高くし、蛍光体間でフェルスター機構によるエネルギー移
動が行われるようにしている。ここで、図21及び図22を用いてフェルスター機構について説明する。図21（ａ）は、
フォトルミネッセンスによるエネルギー移動を示す図であり、図21（ｂ）は、フェルスター機構によるエネルギー移
動を示す図である。図22（ａ）は、フェルスター機構によるエネルギー移動の発生機構を説明するための図であり、
図22（ｂ）は、フェルスター機構によるエネルギー移動を示す図である。

図21（ｂ）に示すように、有機分子や無機ナノ粒子の蛍光体では、励起状態にある分子Ａから基底状態の分子Ｂに対
してフェルスター機構によってエネルギー移動が生じることがある。蛍光体では、分子Ａが励起されたときに、分子
Ｂにエネルギー移動を起こすと、分子Ｂが発光する。このエネルギー移動は、分子間の距離と分子Ａの発光スペクト
ルと分子Ｂの吸収スペクトルに依存する。分子Ａをホスト分子、分子Ｂをゲスト分子とするとき、エネルギー移動す
るときの速度定数ｋH→G（移動確率）は式（１）のようになる。



なお、式（１）において、νは振動数、ｆ′Ｈ（ν）はホスト分子Ａの発光スペクトル、ε（ν）はゲスト分子Ｂの
吸収スペクトル、Ｎはアボガドロ定数、ｎは屈折率、τ０はホスト分子Ａの蛍光寿命、Ｒは分子間距離、Ｋ２は遷移
双極子モーメント（ランダム時２／３）である。 速度定数が大きいと、蛍光体間でエネルギー移動が生じやすくなる。
大きな速度定数を得るためには、以下の条件が満たされることが望ましい。

［１］ホスト分子Ａの発光スペクトルとゲスト分子の吸収スペクトルの重なりが大きい。
［２］ゲスト分子Ｂの吸光係数が大きい。
［３］ホスト分子Ａとゲスト分子Ｂとの間の距離が小さい。

このようなエネルギー移動現象は、有機の蛍光体に特有の現象で、一般的に無機の蛍光体では起こらないとされてい
るが、量子ドットなどのいくつかの無機ナノ粒子の蛍光体においてはフェルスター機構により、無機材料間、或いは、
無機材料と有機材料との間でエネルギー移動を生じるものが知られている。例えば、ZnO／MｇZnO　コア・シェル構
造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でエネルギー移動が起こる。１：√２の寸法比を持つ量子ドットは共
鳴する励起子準位を持つため、例えば半径３ｎｍ（発光スペクトルのピーク波長：350ｎｍ）と半径4.5ｎｍ（発光ス
ペクトルのピーク波長：357ｎｍ）の２種類の量子ドットの間では、小さい量子ドットから大きい量子ドットへエネ
ルギー移動が起こる。またCdSe／ZnSコア・シェル構造の２種類の異なったサイズの量子ドットの間でもエネルギー
移動が起こる。また、直径８ｎｍないし９ｎｍのＭｎ²⁺ドープＺｎＳｅ量子ドットは、450ｎｍと580ｎｍに発光ピー
クを持ち、色素分子である1’,3’-dihydro-1’,3’,3’-trimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2’-(2H)-indole] に紫外線を照射
して得られる開環型のSpiropyran分子（SPO open; Merocynanine form）の光吸収スペクトルとよく一致し、量子ドット
から色素分子へのエネルギー移動が起こる。一般に、無機の蛍光体は、有機の蛍光体に比べて耐光性が優れるため、
長期間使用する場合に有利である。 通常、２種類の蛍光体を混入した場合には、図21（ａ）のように、まず蛍光体
Ａがある効率で発光し、蛍光体Ｂに入射し、蛍光体Ｂで光の吸収及び発光のプロセスを経ることによって、蛍光体Ｂ
から光が放射される。このようなフォトルミネッセンスによるエネルギー移動は、蛍光体Ａにおける光の発光プロセ
ス及び蛍光体Ｂにおける光の吸収プロセスでエネルギーのロスが生じ、エネルギー移動効率が小さい。

一方、図21（ｂ）に示したフェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体間でダイレクトにエネルギーのみが移
動するので、エネルギー移動効率はほぼ百％にすることが可能であり、高効率にエネルギー移動を生じさせることが
できる。また、フェルスター機構によるエネルギー移動は、蛍光体のような発光材料だけでなく、外光によって励起
されるが、光を発生せずに失活する非発光体においても生じる。最終的な発電量は、ゲスト分子の蛍光量子収率によ
って決まり、ホスト分子の蛍光量子収率には依存しない。よって、ゲスト分子のみを蛍光量子収率の高い蛍光体で構
成し、ホスト分子を蛍光量子収率の低い蛍光体又は蛍光を発しない非発光体で構成しても、同じ発電量が得られる。
よって、フォトルミネッセンスによりエネルギー移動を行う場合のように、全ての蛍光体に対して高い蛍光量子収率
が求められる場合に比べて、ホスト分子の材料選択の幅が広がる。図23は、太陽電池素子６の一例であるアモルファ
スシリコン太陽電池の分光感度曲線を第１蛍光体の発光スペクトル、第２蛍光体の発光スペクトルおよび第３蛍光体
の発光スペクトルとともに示す図である。

導光体１７の第１端面１７ｃから射出される光Ｌ１のスペクトルは、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルと概ね一致する。よって、太陽
電池素子６は、第３蛍光体８ｃの発光スペクトルのピーク波長（630ｎｍ）において高い感度を有するものであれば
よい。図23に示すように、アモルファスシリコン太陽電池は600ｎｍ付近の波長の光に対して最も高い分光感度を有
する。第１蛍光体、第２蛍光体および第３蛍光体の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽
電池の分光感度を比較すると、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい第３蛍光体の発光スペクトルのピーク波長
におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度は、導光体に備えられた他のいずれの蛍光体（第１蛍光体、第２
蛍光体）の発光スペクトルのピーク波長におけるアモルファスシリコン太陽電池の分光感度よりも大きい。そのため、太
陽電池素子６としてアモルファスシリコン太陽電池を用いれば、高い効率で発電を行うことができる。

以上のように、本実施形態の太陽電池モジュール34では、光入射面36ａに入射した外光Ｌの一部を複数の光機能材料
（第１蛍光体８ａ、第２蛍光体８ｂ、第３蛍光体８ｃ）によって吸収し、複数の光機能材料の間でフェルスター機構
によるエネルギー移動を生じさせ、最も発光スペクトルのピーク波長の大きい光機能材料（第３蛍光体８ｃ）から放
射された光Ｌ１を光入射面36ａよりも面積の小さい光射出面に集光させて太陽電池素子に入射させている。そのため、
太陽電池素子としては、限定された狭い波長範囲において非常に高い分光感度を有する太陽電池を用いることができ、
発電効率の高い太陽電池モジュールが提供される。

以上、量子ドットを巡る現象利用技術の高度化が進展していることを理解してもらえればこの作業は半ば成功したと
思える。このように、意外とこの革命の実現は早いという予感をもって今年を締め括れたと感じている。

 

   

今夜も、猪瀬都知事の辞任表明、王将フードサービスの大東隆行社長の射殺事件とか大きな出来ことがあった。京都
大宮の王将で安くて美味い餃子で腹一杯にしていたころを懐かしく思い出していた。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　感謝を込め合掌