太陽光発電との比較

ショックレー・クワイサー限界: バンドギャップの関数としての単接合太陽電池の最大変換効率。図の表記はドイツ語。写真：Sbyrnes321, Bearbeitung Cepheiden, Public domain, Wikimedia Commons

太陽光発電は、環境から電力を得る技術のうち最も成功したものである。それは同時にニュートリノボルタイックにとって自然な比較の物差しでもあり、この比較には値打ちがある。二つの構想が本当はどこで異なるのかを示すからである。

太陽電池はどう働くか

光子がシリコンに当たり、そこで電子を 1.12 電子ボルトのバンドギャップの上へ持ち上げる。 pn 接合に組み込まれた電場が、電子と後に残った欠損とが再び出会う前に両者を引き離す。こうして分けられた電荷担体が電流として流れ去る。

この過程は面である。それは表面で、わずか数マイクロメートルの層のなかで起こる。

限界は知られている

太陽光発電について注目に値するのは、その上限がどれほど正確に計算されているかという点である。ウィリアム・ショックレー（William Shockley）とハンス・ヨアヒム・クワイサー（Hans-Joachim Queisser）は1961年に、単純な電池が太陽光のせいぜい33 パーセントしか利用できないことを導いた。

理由はスペクトルにある。エネルギーの小さすぎる光子はバンドギャップを越えられず、失われる。エネルギーの大きすぎる光子は、その余りを熱として渡す。光のうち適合するのは一部だけである。

今日のシリコン電池は実験室でようやく27 パーセントに届き、現場のモジュールはおよそ20から23 パーセントである。つまりこの技術は理論的な限界に近い。成熟のしるしである。これより先へ進むには、異なるスペクトル領域のために電池を積み重ねるほかない。たとえばシリコンとペロブスカイトである。

すべてを決める一つの性質

太陽光発電には光が要る。夜には何も供給しないが、それは技術的な不備ではなく、この方式の定義そのものである。

ドイツではそこから、年間を通じておよそ11 パーセントという利用率が生じる。設備は平均して、全負荷で出せるはずのものの9分の1を供給する。残りは夜であり、雲であり、冬である。

光に頼らないエネルギーハーベスティングのあらゆる方式は、まさにここから出発する。

構想における違い

ニュートリノボルタイックの基本方程式は、面ではなく体積について積分する。それが本当の違いであり、そこから三つの帰結が生じる。

産出は層の数とともに増大するとされる。 光を受ける面積とともにではない。特許 WO2016142056A1は、グラフェンとシリコンの交互の層を10～20、とりわけ12層を請求している。

向きを合わせることが不要になる。 太陽光の設備は南を向き、できるだけ傾けて立てなければならない。あらゆる方向から入ってくる流れに応答する部品には、向きを合わせることが要らない。

昼夜の周期がなくなる。 挙げられている入力の経路は、同グループによれば一日中いつでも存在している。

そこから公正に導けること

二つの方式は、同じ場所を奪い合う競争相手ではない。それぞれ異なる状況に向いている。

太陽光発電は裏づけがあり、数十億のモジュールで試され、産業として成熟しており、日が照り面積のある場所では敵わないほど安い。屋根をもつ者に代わりのものは要らない。

ニュートリノボルタイックが狙うのはその正反対である。光がなく、面積がなく、向きを合わせられない場所。地下室、装置の内部、極夜のなかの拠点である。同グループは自らの計画を明確に開発中のものとして掲げ、挙げられた性能値を設計目標と呼んでいる。

したがってこの比較は、競争というよりも役割の分担である。太陽光発電は、環境エネルギーが大きな規模で使えることを示した。ニュートリノボルタイックの問いは、それが光の届かないところでも成り立つかどうかである。

出典

W. Shockley, H. J. Queisser: Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells, Journal of Applied Physics 32, 510 (1961).
Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report — 変換効率と産出量の数値。