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太陽電池が吸収した光を広い角度へ放出する損失を抑え、変換効率を高める方法を、カタルーニャ光科学研究所（ICFO）の研究チームが実験で示しました。光を放つ角度を狭める設計により、単接合型太陽電池の理論効率上限とされる33.16％を超え、約43％に近づける可能性があると研究チームは見積もっています。
光の吸収と放出の角度差が損失を生む
太陽電池は、半導体が太陽光を吸収して電子を放出し、電流を生み出す装置です。吸収されたエネルギーの一部は熱になるほか、光として再び放出されます。光の放出に伴う損失は「ボルツマン損失」と呼ばれます。
太陽光は太陽の見かけの大きさに応じた狭い角度範囲から届きますが、通常の太陽電池はより広い角度に光を放出します。この吸収と放出の角度差が、電気として取り出せる仕事を減らします。
ICFOの研究チームは、熱損失を抑える方法とは別に、光の放出角を狭めてボルツマン損失を減らす方針をとりました。単接合型の理論上限は33.16％とされ、放出角を太陽光の入射角に近づければ約43％に達しうると見積もっています。
有機太陽電池を光共振器に変える
実験では、PM6:Y6という材料を使った有機太陽電池を用いました。前面電極を酸化インジウムスズから薄い銀に置き換え、電池を「光共振器」と呼ばれる構造にすることで、大きな角度への光の放出を抑えました。
銀電極と電池の層構造が光共振器を形作り、斜め方向に放出される光を反射しながら、入射する太陽光は通します。ICFOの研究チームは、この設計によって光の放出角を狭め、ボルツマン損失を実験的に減らしました。
研究チームは、電極と共振器を組み合わせる設計は、効率向上を狙うほかの手法に比べて製造工程を複雑にしないと説明しています。また、この原理は有機材料に限らず、ほかの太陽電池技術にも応用できる可能性があるとしています。
43％は実験で達成した効率ではない
約43％は今回の太陽電池が達成した変換効率ではなく、光の放出角をさらに狭めた場合に近づける可能性がある理論値です。ICFOが実験で示したのは、光共振器で放出角を狭め、損失を抑える仕組みです。
別の太陽電池研究でも、光の逃げる角度を制限する設計が検討されています。シリコン太陽電池のモデル計算では、厚さ3マイクロメートルの理想セルについて、直接光の照射下で最大角度制限を設けると、効率が3ポイント上がると予測されました。
ガリウムヒ素（GaAs）を使った研究では、光の放出角を制限した単接合セルが38％を超える効率に達する可能性が、詳細釣り合いモデルで示されました。論文は、光をセル内に戻して再吸収する「光子リサイクリング」が効率向上に寄与すると説明しています。
LONGiの35.5％セルは異なる方式
LONGiが2026年7月に発表した変換効率35.5％のセルは、結晶シリコンとペロブスカイトを重ねるタンデム型です。欧州太陽電池試験機関（ESTI）の認証を受けた値で、単接合セルの発光角を抑えるICFOの実験とは異なる構造です。
タンデム型は、ペロブスカイトの上部セルと結晶シリコンの下部セルを組み合わせます。LONGiは、同社のタンデムセルについて、2023年11月に33.9％、2024年6月に34.6％を達成した後、35.5％に更新したと発表しました。
LONGiはタンデム型の理論効率上限を最大43％としています。一方、ICFOの約43％は、単接合型で光の放出角を狭める手法について示された可能性です。同じ数値でも、前者は異なる材料のセルを重ねる方式、後者は光の放出を制御する方式に関する値です。
