⽇本の発電電⼒量の推移
（出典：資源エネルギー庁 https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2018html/2-1-4.html）

再生可能エネルギーと日本における普及の状況

　再⽣可能エネルギーには、太陽熱や⾵⼒、⽔⼒やバイオマス、地熱、そして喜多教授・朝⽇准教授が研究を進める太陽電池などがある。これらは何度も使うことができる開放系のエネルギーで、現在⽇本では、全エネルギー使⽤量に占める再⽣可能エネルギーの割合は10％程度だ。⼀⽅、化⽯エネルギーや⽯油、天然ガスや原⼦⼒といった地球の内部にあるエネルギーは、閉鎖系のエネルギーといい、再⽣可能エネルギーに対して枯渇エネルギーという。枯渇エネルギーは、埋蔵量や価格⾼騰の問題がとり上げられてきたが、アメリカなどで注⽬されるシェールガスを⾒てもわかるように、掘り出す能⼒とコストの問題だと喜多教授は話す。現在は埋蔵量よりもCO₂排出が主要な論点になっている。
　⽇本の再エネ率は10%程度でまだまだ低いと⾔われるが、⼀次エネルギーを⼤量に使っているため、絶対量では世界６位となっており、再エネ率が36%を占めるスウェーデンより上位にある。再エネの普及には、太陽光パネルや⾵⼒発電施設の設置が必要になるため国⼟⾯積が関係することから、国⼟の広いアメリカや中国などは当然優位になる。ドイツや⽇本のように国⼟が⼩さい国は、絶対量で⾒ると、かなり健闘しているといえるのだ。
　⼀⽅、CO₂の排出量は⽇本もドイツも⾮常に多い。両国とも再エネ量が多いことが原因だ。再エネが多いと⽕⼒発電に依存するバックアップ電源が必要になるため、結果的にCO₂排出がかえって増えることになる。ドイツ国内では原発を⽌めているが、2割弱のエネルギーはフランスからの原⼦⼒購⼊で賄っている。⼀⽅、原⼦⼒の割合が⾮常に⾼いフランスはCO₂排出がきわめて少ない。この数字だけを⾒ると、原⼦⼒の危険性を措いておけば、カーボンニュートラルのためには原⼦⼒がいいとなってしまう。このため、ベースロード電源のために原⼦⼒を残し、バックアップ電源である⽕⼒発電を⾵⼒などの再エネに置き換えていきたいというのが現在の政府⽅針になっている。

再エネ率向上とCO₂排出削減両立の難しさ

ポイントは電気を「ためる」・「運ぶ」

　再エネ率向上のためには、過剰につくった電気を「ためる」ことが有効になる。喜多教授は、1954年のベル研究所によるシリコン太陽電池の広告に注⽬する。ベル研究所はトランジスタを最初に発明した研究所で、トランジスタの研究でノーベル賞を受賞したウィリアム・ショックレー博⼠がこのシリコン太陽電池の開発にも携わっている。ショックレー博⼠は、喜多教授のドイツ在外研究時代の恩師でもあるクワイサー博⼠とともに太陽電池のエネルギー変換効率を計算した著名な研究者だ。この広告に使われているのは、典型的なアメリカ⼈家族が太陽電池を⾒て喜んでいる写真だが、その後ろにはちゃんとバッテリーが配線されているのだ。太陽電池というのはためないと意味がないということを、ベル研究所は当時から正直に⽰していたという興味深い広告だと喜多教授は話す。
　しかし、電気を「ためる」ためにはエネルギーを２割程度ロスしてしまう。⽔素を使って電気を運ぶ技術も注⽬されているが、⽔の電気分解によって⽔素を取り出すのに８割、さらに⽔素からもう⼀度電気を取り出す際には半分のエネルギーになるため、結局使えるのは元のエネルギーの４割になってしまうのだ。だからこそ、喜多教授、朝⽇准教授が研究に取り組む⾼効率太陽電池の開発が求められているのだ。
　さらに、ナイトタイムライツと世界の⽇照量の対応を⾒てみると、その対照性が顕著であることが分かる。つまり、太陽電池にとって好都合な⽇照量の多い場所には、暑くて⼈が住んでいないということだ。地球規模で考えれば、再エネは作るのに適した場所と、それを使いたい⼈が住んでいる場所は同じではないため、エネルギーを「運ぶ」ことが必要になる。また、太陽電池や⾵⼒発電施設は、設置場所の確保も必要で、どこでも発電できるわけではない。統⼀した送電網で容易に融通できるヨーロッパとは違い、⽇本のような島国では他国の原発でつくった電気を買うなどと簡単には⾔えないという事情を踏まえる必要がある。

太陽電池とエネルギー変換効率

　太陽電池の仕組みは、半導体の基板となるウェハーと呼ばれる材料が太陽光を吸収してエネルギーに交換するというものだが、ウェハーがガラス窓のような透明な物質だと吸収せず素通りしてしまうのでエネルギーにならない。そこで、吸収するように不透明な材料に太陽光を当てようということになるわけだが、黒い材料に当てると熱になる（黒体輻射）ため、余分なエネルギーが電気にされずに熱になってしまう。つまり不透明度の最適値を探さなければならないというわけだ。従来の太陽電池で多く使⽤されてきたシリコン（Si）や、喜多教授・朝⽇准教授が採⽤しているガリウムヒ素 （GaAs）は適した値（バンドギャップ）を⽰す。シリコンは安価で安全なため、広く普及し現在も圧倒的なシェアを占めている。
　⾼効率太陽電池開発の肝になるのは、さまざまな波⻑の光を含む太陽光のエネルギーをいかに効果的に電気に変換するかということだ。波⻑が⻑いものほど低エネルギーであり、すり抜けやすくなるため、⻑波⻑である⾚外光は不透明な物質でも吸収されにくい。太陽電池を⾼効率化するためには、とくに⾚外光を効率よく吸収することが求められるのだ。

集光型太陽電池とタンデム型マルチジャンクション

　太陽電池開発の初期であった1970年代は、ウェハーに⽤いる材料をスライスし、適切な加⼯を施すことでいかに優れた結晶を作るかということが研究の中⼼であったが、現在はより複雑な構造をつくり出し効率を向上させようというステージとなっている。
　⾼効率化の⼿段のひとつが、太陽光をレンズで絞ることでエネルギーの変換効率を向上させようというものだ。これは集光型太陽電池と呼ばれるもので、これにより半導体の使⽤量が削減できるためコスト削減につながる。とくにGaAsを使った半導体は極めて⾼価であるため、集光型にしないとコストが合わず、現在の主要なターゲットは集光型となっている。
　さらに、ウェハーを重ねることで、吸収されずすり抜けてしまった光を次のウェハーでキャッチし吸収効率を向上する「タンデム型マルチジャンクション」と呼ばれる太陽電池の開発が世界の主流となっている。現在、変換効率の世界最⾼記録は47.6％であるが、これは4つの半導体のタンデム（4ジャンクション）で、かつレンズで太陽光を665倍に絞ったものだ。喜多教授が参画したNEDOプロジェクトでも、シャープ株式会社のチームが44.4％の変換効率を達成しており、３ジャンクションの太陽電池では世界最⾼記録となっている。

量子ドットを用いたフォトンアップコンバージョン太陽電池の開発

　喜多教授が主宰するフォトニック材料学研究室は、半導体の粒⼦をつくる技術を得意にしている。この粒⼦を「量⼦ドット」といい、半導体に埋め込むことで、⻑波⻑の⾚外光に対する敏感性を⾼めることができる。朝⽇准教授は直径20ナノメートルほどの微細な量⼦ドットのある境界⾯（ヘテロ界⾯）を⽤いて、透明度の異なる半導体２種類を組み合わせることで、⾚外光による電流・電圧上昇に世界で初めて成功した。これにより、複雑で難易度の⾼いマルチジャンクションの構造をつくらなくても、ひとつの半導体の中で⾚外光をキャッチすることができる。
　理論的には、集光レンズを使わなくても50％に近い変換効率が期待できるというこのフォトンアップコンバージョン太陽電池。朝⽇准教授は、太陽光発電のコストを⼤幅に削減し、⾼効率太陽電池を普及させたいという信念のもと、研究室の学⽣メンバーとともに研究に邁進している。

フォトニック材料学研究室HP