半導体量子構造と光エネルギー変換の最前線

摘要

半導体に光を照射するとバンドギャップが励起され, 伝導帯と価電子帯に電子と正孔が生成する．これらの光励起キャリアーを電流として取り出すのが太陽電池であり，化学反応に利用するのが光触媒である．この太陽電池も光触媒も，現代のエネルギー問題や環境問題の解決に役立つデバイスとして最も期待されており，製造コストを下げながらエネルギー変換効率をさらに向上させることが最大の課題である．光励起キャリアーの動きは半導体の構造で制御できるので，半導体の構造を工夫することで光エネルギー変換効率を向上させることができる．たとえば，粒径を小さくした半導体（量子ドット）のバンドギャップは，粒径が小さくなると大きくなることがよく知られているが，それ以土に，、電子とフォノンの相互件用が小さくなるため，高いエネルギーで励起された光励起キャリアーは余剰エネルギーを熱として放出しにくいという特徴がある．その結果，バンドギャップより数倍高いエネルギーの光を照射すると，余剰エネルギーをもったまま外部に取り出したり，一つのフォトンで二個以套の電子一正孔対を発生させる（マルチユキシトン生成）ことができる．これらの原理を太陽電池に応用する研究が進hでいたが，つい最近，、エネルギー変換効率が100％を超えるデ′ヾイスの件製例が報告された3）．以ずにをの報告を紹介する．