量子効果で電子を「ワープ」のようにずらす結晶を日本が開発——巨大光電流を鉛フリーで生成 (2/3)

量子効果で発電する鉛フリーの理想の結晶

いま、次世代太陽電池の有力候補の一つとして世界中が開発を競っているのが、「ペロブスカイト」と呼ばれる結晶の一群です。

ペロブスカイト太陽電池は薄くて、曲げられて、製造コストが安く、それでいて変換効率がとても高くなっています。

そのため建物の壁や車の屋根など、これまで発電とは無縁だった“あらゆる場所”を発電所に変えてしまうポテンシャルを秘めています。

太陽電池の「板っぽい」イメージを、シールやフィルムのようなものに変えてしまう、有望技術として大きな期待を集めています。

ところが、この輝かしい夢の前に、大きな壁が立ちはだかっています。

ペロブスカイトのなかでも最高の性能を示すタイプの材料には、たいてい「鉛（Pb）」が組み込まれています。

鉛は、人体にも環境にも有害な重金属です。とくにヨーロッパでは厳しい規制の対象になっており、いくら性能が高くても、鉛を含む太陽電池を街じゅうに敷き詰めるわけにはいきません。

この“鉛の壁”が、実用化に向けた最大の足かせになっているのです。

世界中の研究者が、鉛をスズ（Sn）やゲルマニウム（Ge）といった、鉛に代わる元素に置き換える試みを続けています。

しかし、鉛を別の元素に置き換えると、材料によっては結晶が崩れやすく、内部に欠陥が増えがちになります。

そして欠陥が多い結晶は電子の通り道として具合が悪く、電子がエネルギーをどんどんロスしてしまいます。

鉛を使えば性能は出るが、環境に悪い。鉛を抜けば環境にやさしいが、性能が落ちやすい——この厄介なジレンマが、長年にわたって研究者たちを悩ませてきました。

そんななか研究者たちが目をつけたのが、ゲルマニウムを含んだペロブスカイト結晶、ヨウ化ゲルマニウムセシウム（CsGeI₃）です。

たしかにGeを使うと綺麗な結晶は作りにくくなります。

ですがこの結晶は、その難しさを補って余りある強力な武器を、生まれつき備えていました。

電子を同じ方向へワープさせるカギとなる、大きな「原子のズレ」です。

CsGeI₃はこのズレの大きさが、強誘電体の代名詞ともいえるチタン酸バリウム（BaTiO₃）に匹敵します。

ズレが大きいほど、電子のワープ方向をそろえる「シーソーの偏り」が強くなるので、大きなシフト電流が期待できます。

ただし、理論の上で理想的であることと、それを実際に「作れる」こととは、まったく別の話です。

この結晶は、塩を析出させるように溶液を乾燥させるような手軽な方法では、結晶性や均一性に優れた薄膜を作るのが難しいのです。

シフト電流は、電子の波の「形」が変わることで起きる、きわめて繊細な量子現象です。

結晶の中が欠陥だらけでは、この繊細な効果はノイズにかき消されてしまい、観測が難しくなります。

そのため理想の結晶と知られながら、誰もその真価を引き出せずにいたのです。

研究チームは、この難題に正面から挑みました。

採用したのは、原子や分子を一層ずつ精密に積み上げていく特別な製造法（分子線エピタキシー：MBE）です。

宇宙空間に匹敵するほどの超高真空のなかで、材料を慎重に吹き付け、結晶の向きをきれいにそろえながら膜を育てていきます。

いわば、塗って乾かす”ざっくり”した作り方ではなく、原子や分子を一層ずつ整然と並べていく原子レベルのレンガ積みとも言える精密な手法です。

研究チームは、ハライドペロブスカイトの薄膜作製に特化した装置を独自に開発しました。

こうした装置は世界でもごく少数しか存在しません。

その結果、鉛を使わずに結晶の向きがそろった、厚さわずか約70ナノメートルのCsGeI₃高品質薄膜を、初めて作り上げることに成功しました。

（※空気中の水分から結晶を守るための保護コーティングにはフッ化鉛が使われていますが、光を吸収して発電を担う主役の結晶層は鉛フリーです。）

長年”宿題”とされてきた理想の結晶が、ついに観測可能な姿で現実になった瞬間です。

そして、その”理想の結晶”は、期待をはるかに超える数字で応えました。

光から電流を生み出す”素材としての地力”を示す指標（Glass係数）で、CsGeI₃の薄い結晶は、シフト電流の有望株とされてきた有機強誘電体TTF-CAの約80倍。

チタン酸バリウムやニオブ酸リチウムといった伝統的な強誘電体と比べても、1桁以上（10倍超）の差をつけています。

しかも、これまで記録を出してきた多くの材料が、分厚い”塊”の結晶での測定値だったのに対し、CsGeI₃が記録したこの数字は、わずか70ナノメートルの”薄膜”でのものでした。

薄膜は、そのまま太陽電池やデバイスに組み込みやすい形です。

つまりこの数字は、研究室のなかだけで輝く記録ではなく、実用の現場につながりうる形で出された記録なのです。

有毒な鉛を使わず、量子的な性質で光を当てるだけで電子の出現位置を変化させ、ロスが少なく、発電に向いた薄膜の形で示された——そんな理論上の理想が、ついに現実の数字になった瞬間でした。