シリコンでは使えない赤外光を電力に、グラフェン太陽電池の新たな可能性を示す研究

太陽電池や光検出器が光を電気信号に変換するには、光のエネルギーによって生じた電子と正孔を分離し、それぞれ異なる電極へ運ばなければならない。電子が光子のエネルギーを吸収して高いエネルギー状態へ励起されると、元の状態には正の電荷を持つキャリアとして振る舞う「正孔」が残る。両者を再結合する前に分離できれば、光によって生じたエネルギーを電流として取り出せる。しかし、炭素原子が蜂の巣状に並んだ一原子層の材料「グラフェン」では、この電荷分離を効率よく行うことが難しかった。

ドイツのヘルムホルツ研究センター・ドレスデン＝ロッセンドルフ（HZDR）とドレスデン工科大学の研究チームは、この課題を解決する新たな理論モデルを発表した。研究を行ったのはJoris Josiek、Friedemann Queisser、Stephan Winnerl、Ralf Schützholdの4人で、成果は2026年8月21日付の学術誌『Physical Review Applied』第26巻に、「Magnetophotoelectric effect in graphene via tailored potential landscapes」（論文番号024061、DOI: 10.1103/k1y8-vr4y）として掲載された。HZDRは10月29日に、この研究の内容と今後の実験計画を公式発表で詳しく紹介している。

研究チームが提案したのは、グラフェンに垂直な磁場を加え、電極で作り出した静電ポテンシャルの障壁によって電子と正孔を異なる方向へ誘導する方法だ。従来検討されてきたグラフェンの端面や折り目を利用する方式とは異なり、平坦なグラフェンシートをそのまま利用できる点が特徴となる。さらに、電極に印加する電圧を変更することで、電荷の移動経路を動的に調整できる可能性もある。

ただし、今回の成果は数理モデルと計算による理論的な検証であり、実際の光電変換素子を作製して性能を測定したものではない。 光電流の測定値やエネルギー変換効率、実用的な発電性能はまだ示されていない。研究チームは、赤外光の利用を想定した場合に必要となる磁場や電極配置の規模も試算しており、今後はこれらの条件を実験装置で再現できるかが焦点となる。

パラメータ	理論モデルで示された規模	技術的な意味
印加磁場	約0.1テスラ	強力な永久磁石でも発生可能な水準
電極・障壁の配置間隔	マイクロメートル規模	励起されたキャリアのサイクロトロン軌道に対応
電極への印加電圧	ボルト単位	静電ポテンシャル障壁を形成するための電圧

これらは、HZDRの研究チームが赤外光を想定して見積もった設計条件である。磁場の強さや電極間隔を適切に組み合わせることで、電子と正孔を異なる方向へ導く軌道を形成できると考えられている。いずれも既存技術で扱える規模だが、それだけで光電変換デバイスとしての動作が保証されるわけではない。

バンドギャップを持たないグラフェン、電荷分離を難しくする物理的制約

一般的なシリコン太陽電池では、半導体のバンドギャップとpn接合によって、光を電力へ変換する仕組みが成り立っている。バンドギャップとは、電子が存在できないエネルギー領域のことで、これより大きなエネルギーを持つ光子を吸収すると、電子を高いエネルギー状態へ励起できる。さらに、p型半導体とn型半導体を接合すると内部電界が生じ、光によって生成された電子と正孔を反対方向へ移動させる働きを持つ。このように、光の吸収と電荷分離を組み合わせることで、外部回路に電流を流せる。

一方、グラフェンは伝導帯と価電子帯が「ディラック点」で接しており、本来の単層構造にはバンドギャップが存在しない。高いキャリア移動度を持ち、電子が高速に移動できるという利点がある反面、通常の半導体と同じ仕組みで電子と正孔を分離することは難しい。グラフェンでも電界を形成したり、光電流を発生させたりすることは可能だが、バンドギャップを利用する従来型の太陽電池とは異なる仕組みが必要になる。

グラフェンの光電変換が難しい理由は、光を吸収できないことではない。むしろ、バンドギャップがないため、シリコンでは吸収できない低エネルギーの赤外光も利用できる可能性がある。しかし、光によって生じた電子と正孔を適切な方向へ輸送できなければ、電流として回収する前に再結合や散乱などによってエネルギーが失われてしまう。光の吸収特性と電荷分離の仕組みを両立させることが、グラフェンを光電変換材料として利用する際の重要な課題となっている。

この問題に対して、従来はグラフェンの端面や折り目を利用する方法が研究されてきた。グラフェンの面に垂直な磁場を印加すると、光によって励起された電子と正孔はローレンツ力を受け、互いに逆向きの円軌道を描く。ただし、均一な磁場だけでは、キャリアが円運動するだけで、一定方向への輸送にはつながらない。そこで、グラフェンを切断した端面や折り目を設け、円運動するキャリアの進行方向を変える方法が考案された。

この方式では、キャリアが物理的な境界に沿って円弧状の軌道を繰り返し、結果として一定方向へ移動する。電子と正孔は電荷の符号が異なるため、適切な構造を設ければ、それぞれを異なる方向へ誘導できる。しかし、原子一層のグラフェンに規則的な端面を形成したり、大面積にわたって均一な折り目を作ったりすることは容易ではない。端面は欠陥や不均一性の影響を受けやすく、広い受光面積を必要とする太陽電池への応用では、製造上の課題となる。

グラフェンを加工せず、電圧で作った障壁を「ガイドレール」にする

HZDRの研究チームが提案したのは、物理的な端面の代わりに、外部電極が作り出す静電ポテンシャル障壁を利用する方法だ。グラフェン自体を切断したり折り曲げたりせず、電圧によって電子や正孔の移動を制御する。これにより、端面の欠陥に起因する問題を避けながら、より柔軟に電荷の輸送経路を設計できる可能性がある。

想定される構造では、平坦なグラフェンシートの上側または下側に絶縁層を設け、その外側に細い金属電極を配置する。電極に電圧を印加すると、その位置に応じてグラフェン内部の静電ポテンシャルが変化し、電子や正孔の運動に影響する障壁が生じる。この方法では電極の微細加工は必要になるものの、グラフェンそのものに切り込みや折り目を形成する必要はない。

ここにグラフェンの面に垂直な一様な磁場を加えると、電子と正孔は互いに逆向きの円軌道を描き始める。さらに、円運動するキャリアが静電ポテンシャル障壁に近づくと、その障壁の符号や高さによって、反射される場合と通過できる場合が生じる。磁場による軌道の曲がり方と、電極による選択的な反射を組み合わせることで、キャリアを特定の方向へ誘導する仕組みだ。

例えば、電位が負の障壁を設けると、適切なエネルギー条件では電子が反射され、正孔は障壁を通過できる。反射された電子は磁場によって再び円弧状の軌道を描き、次の障壁に到達すると、再び進行方向を変える。この運動が繰り返されることで、電子は障壁に沿って弧を描きながら一定方向へ進む。研究チームは、このような運動を利用して電荷の輸送方向を制御することを提案している。

一方、電位が正の障壁では、電子と正孔の振る舞いが逆になる。正孔が反射されやすくなり、電子は通過できるため、電位の符号が異なる障壁を組み合わせれば、電子と正孔に異なる経路を与えられる。論文では、正と負のポテンシャル障壁を櫛状に組み合わせた構造を検討し、電子と正孔を反対方向の接点へ導く方法を示した。

重要なのは、単に電界をかけるだけでも、磁場をかけるだけでも、今回の分離機構は成立しないという点だ。研究チームは、グラフェンのキャリアを記述する有効ディラック方程式を解き、電場と磁場の組み合わせによって、電子と正孔が異なる方向へ輸送される条件を解析した。その結果、適切なポテンシャル分布を設ければ、電子と正孔を区別して誘導できるという理論的な見通しを得た。

この方式のもう一つの特徴は、電極の電圧を変更することで輸送経路を調整できることだ。物理的な端面や折り目は一度形成すると変更が難しいが、静電ポテンシャル障壁であれば、外部から印加する電圧を変えるだけで、その高さや分布を調整できる。複数の電極を個別に制御すれば、入射する光のエネルギーに合わせてキャリアの誘導経路を変えられる可能性もある。

磁場0.1テスラとマイクロメートル規模の電極配置が成立条件

今回の方式は、電極を並べて磁場を印加すれば、どのような条件でも電子と正孔を分離できるというものではない。キャリアが所望の経路を進むには、磁場の強さ、電極の配置、ポテンシャル障壁の高さと幅、そして光によって励起されるキャリアのエネルギーを適切に組み合わせる必要がある。研究チームは、この条件を理論的に調べ、既存技術で実現可能と考えられるパラメータの範囲を示した。

第一に、静電ポテンシャル障壁には、電子や正孔を十分に反射できる高さと幅が必要だ。障壁が低すぎればキャリアの進行方向を変えることができず、幅が不足していれば量子力学的なトンネル効果によって通過する可能性がある。グラフェンでは量子力学的な透過の影響も無視できないため、電極で形成するポテンシャル分布を適切に設計しなければならない。

第二に、電極や障壁の間隔は、磁場中でキャリアが描くサイクロトロン軌道の大きさと同程度にする必要がある。サイクロトロン軌道の半径は、キャリアのエネルギーと磁場の強さによって変化する。磁場を強くすれば半径は小さくなり、キャリアのエネルギーが高くなれば半径は大きくなる。障壁の配置が軌道に対して不適切であれば、キャリアを狙った方向へ誘導できなくなる。

研究チームは具体例として、約0.1電子ボルト（eV）のエネルギーを持つキャリアを想定した。これは赤外光の吸収によって生成されるキャリアのエネルギーに相当する。この条件で約0.1テスラの磁場を印加すると、サイクロトロン軌道の半径は約1マイクロメートルとなり、電極や障壁の配置間隔も同程度の規模で設計できると見積もられている。

設計項目	想定値・条件	実現可能性と留意点
外部磁場	約0.1 T	強力な永久磁石で発生可能な水準
励起キャリアのエネルギー	約0.1 eV	赤外光の吸収を想定
サイクロトロン軌道半径	約1 μm	磁場とキャリアのエネルギーによって変化
ポテンシャル障壁の間隔	マイクロメートル規模	サイクロトロン軌道の大きさに合わせて設計
電極への印加電圧	ボルト単位	キャリアを反射する障壁の形成に利用

これらの数値は、赤外光を対象とした理論モデルの代表的な設計条件であり、実際の装置で最適化された値ではない。例えば、入射光のエネルギーが変わればキャリアの軌道半径も変わるため、磁場や電極の配置をそれに合わせて調整する必要がある。研究チームは、磁場を弱めることで、より低いエネルギーのキャリアに対応できるほか、電極の一部をオン・オフして有効な障壁間隔を変更する方法も考えられるとしている。

また、キャリアの移動を妨げる散乱も重要な制約となる。グラフェンは高いキャリア移動度を持つものの、実際の試料には不純物や欠陥があり、格子振動による散乱も生じる。キャリアの平均自由行程がサイクロトロン軌道の大きさより大幅に短ければ、障壁に沿って規則的に移動する前に散乱され、狙った方向への輸送が弱まってしまう。

今回の理論では、電極に加える電圧によってポテンシャル障壁を調整できるため、デバイスの動作条件に柔軟性を持たせられると考えられている。電極を二次元的に多数配置すれば、グラフェンを切断することなく、より広い面積で電荷を誘導できる可能性もある。ただし、大面積化に伴う電極の均一性や絶縁層の品質、散乱の影響などは実際の製造工程で検証する必要があり、現時点では設計上の利点にとどまる。

従来の光電変換方式との違いと実証状況

グラフェンを光電変換に利用する研究では、さまざまな電荷分離の仕組みが検討されてきた。従来の半導体ではpn接合による内蔵電界が一般的だが、グラフェンではバンドギャップのない電子構造を踏まえ、別の方法で電荷を誘導する必要がある。今回の研究は、これまでに検討されてきた端面や折り目を利用する方式に対し、電圧で制御できる静電ポテンシャル障壁を使う点で異なる。

アプローチ	電子と正孔を分離する仕組み	主な利点・課題	実証状況
従来のシリコン太陽電池	pn接合による内部電界で電荷を分離	成熟した技術だが、約1,100nmを超える長波長の赤外光を利用しにくい	商業化済み。変換効率や信頼性の実測データが豊富
端面・折り目を利用するグラフェン方式	磁場による円運動と物理的な境界を組み合わせる	電荷分離は実験で確認されているが、端面の欠陥や大面積加工が課題	磁気光電効果に関する基礎実験が報告済み
HZDRの電圧障壁方式	磁場と静電ポテンシャル障壁で電子・正孔を異なる方向へ誘導	平坦なグラフェンを利用でき、電圧による経路制御が可能	理論モデルを提示。実際の素子による光電流測定は未実施

従来の端面利用方式では、グラフェンに垂直な磁場をかけ、端面に沿って生じる電荷の運動を利用した磁気光電効果が実験的に観測されている。これに対し、今回の研究は物理的な端面を静電ポテンシャル障壁に置き換えた新しい方式であり、その動作はまだ実験で確認されていない。両者は同じく磁場によるキャリア運動を利用するものの、実証の段階には明確な違いがある。

HZDRが今回の方式に期待するのは、物理的な端面に頼らないことによる製造上の利点だ。グラフェンの端面は欠陥や不均一性の影響を受けやすく、広い面積で同じ性質を再現することが難しい。一方、電極によるポテンシャル障壁であれば、既存の微細加工技術を利用して一定の配置を形成し、さらに外部電圧で動作を調整できる可能性がある。

ただし、電極を利用する方式でも、電極の微細加工や絶縁層の形成は必要になる。グラフェン自体への加工を減らせることと、デバイス全体の製造が容易になることは同じではない。今回の理論的な利点が、実際の製造歩留まりや性能の安定性、大面積化によるコスト削減につながるかどうかは、今後の実験と製造技術の検証にかかっている。

赤外線の光電変換に期待、ただし単層グラフェンの吸収率は約2.3%

HZDRが今回の研究で特に期待している応用分野の一つが、赤外光を利用する太陽電池や光検出器だ。シリコンのバンドギャップは室温で約1.1eVであり、これよりエネルギーの小さい光子は、通常のバンド間遷移によって電子と正孔を生成することができない。そのため、一般的な単接合シリコン太陽電池では、波長がおよそ1,100nmを超える赤外光を有効に利用できない。

これに対して、グラフェンにはバンドギャップがないため、シリコンでは吸収できない低エネルギーの光子でも電子を励起できる可能性がある。実際、グラフェンは可視光から赤外光、テラヘルツ波に至る広い周波数領域で光と相互作用する特性を持つ。こうした広帯域の光応答は、赤外線センサーや高速光検出器などへの応用を考えるうえで重要な利点となる。

ただし、光を吸収できることと、そのエネルギーを効率よく電力へ変換できることは別の問題だ。単層グラフェンは炭素原子一層分しか厚みがないため、光の吸収率が低い。2008年に『Science』で発表された研究では、単層グラフェンが入射する可視光の約2.3%を吸収することが示されている。残りの大部分は透過するため、グラフェン一層だけでは、光電変換に利用できる光の量が限られる。

なお、この約2.3%という値は、主に可視光などの周波数領域における代表的な吸収率であり、赤外線の全波長域で常に同じ値になるわけではない。実際の吸収特性は、光子のエネルギーやグラフェンのキャリア密度、温度、周囲の材料などによって変化する。したがって、約2.3%という数値をそのまま赤外線デバイスの吸収率として扱うことはできない。

この吸収率の低さを補うため、HZDRは複数のグラフェン層を利用する構造も構想している。グラフェン層を透明な絶縁層で隔てながら積み重ね、反射ミラーを組み合わせることで、光が複数の活性層を通過するようにする方法だ。光がグラフェンを通過する回数を増やせれば、それだけ吸収される機会も増えるため、単層構造より多くの光エネルギーを利用できる可能性がある。

ただし、この多層化と反射鏡を組み合わせた方式も、現時点では実現可能性を検討している段階だ。グラフェンを重ねることで光の吸収量を増やせたとしても、各層で生じた電子と正孔を効率よく分離し、外部回路へ回収できなければ、発電効率の向上にはつながらない。また、積層構造の形成に伴う損失や、各層への電極配置なども考慮する必要がある。

今回の論文とHZDRの発表では、シリコン太陽電池と比較した発電効率や出力電力、分光感度、製造コストに関する実測値は示されていない。グラフェンが低エネルギーの赤外光を利用できる可能性は重要だが、それだけで従来のシリコン太陽電池を上回る性能が得られるとはいえない。今回の成果は、光の吸収後に生じる電子と正孔を分離するための、新しい物理的な仕組みを提案したものと捉えるべきだろう。

実用化への道筋と、今後必要となる実験検証

今回の理論モデルが現実の光電変換デバイスとして成立するかどうかは、今後の実験にかかっている。HZDRは、提案した構造を実際に作製し、その動作を検証する実験を計画している。研究チームが想定する初期の実験装置は、透明な絶縁層の間に単層グラフェンを挟み、その上に細い金属電極を配置する構造だ。電極へボルト単位の電圧を印加し、約0.1テスラの磁場の下で光を照射することで、電子と正孔が予測通りに異なる方向へ移動するかを調べる。

HZDRの10月29日付発表で、Ralf Schützhold教授は今回の方式について期待を表明している。過去にグラフェンの端面を用いた研究では、理論的な予測が実験で確認され、観測された信号は予想を上回る強さだったという。研究チームは、その経験を踏まえて新しい電圧障壁方式も機能すると期待している。

ただし、ここで言及された過去の実験結果は、今回提案された電圧障壁型デバイスの性能を示すものではない。端面によってキャリアを誘導する方式と、静電ポテンシャル障壁を利用する方式では、電荷が移動する際の境界条件が異なる。過去の成功は今回の構想を検討する根拠にはなるものの、新しい方式でも同じ結果が得られることを保証するわけではない。

実験でまず確認すべきなのは、電圧障壁が計算通りに電子と正孔を選択的に反射し、異なる接点へ誘導できるかという点だ。磁場の方向や電極の電圧を変えたときに、光電流の向きや大きさが理論予測に従って変化するかを測定する必要がある。また、照射する光の波長や強度を変え、どの範囲で電荷分離の効果が得られるかも調べなければならない。

次に重要になるのが、実際の材料に存在する散乱の影響だ。理論モデルでは、磁場と静電ポテンシャルによってキャリアの軌道を制御できることが示されている。しかし、現実のグラフェンには不純物や欠陥が存在し、室温では格子振動による散乱も生じる。こうした影響によってキャリアの平均自由行程が短くなれば、理論で想定した方向性のある輸送が弱まる可能性がある。

さらに、太陽電池として利用するためには、電荷分離を確認するだけでは不十分だ。光を照射した際に得られる電流と電圧を測定し、取り出せる電力や光電変換効率を評価する必要がある。外部電極の制御に必要な電力や、磁場を発生させるための装置構成も考慮しなければならない。永久磁石を利用する場合、静磁場の維持そのものに継続的な電力を必要とするわけではないが、磁石の大きさや配置、デバイス全体の構造は実用上の制約となる。

大面積化も重要な課題だ。電極によってポテンシャル障壁を形成する方式は、グラフェンを切断したり折り曲げたりする方法よりも、広い面積への展開に適している可能性がある。しかし、実際には多数の電極を均一に形成し、各領域で同じように電荷を誘導する必要がある。絶縁層の品質や電極間の電位分布が不均一になれば、期待した光電流を得られない場合もあるため、製造工程と電気的な性能を合わせて検証することが欠かせない。

今回の研究が示したのは、グラフェンのバンドギャップを人工的に形成しなくても、磁場と静電ポテンシャルを組み合わせることで、光によって生じた電子と正孔を異なる方向へ誘導できる可能性だ。物理的な端面に依存しない電荷分離の仕組みを理論的に導き出したことで、グラフェンを利用する赤外線センサーや光電変換デバイスの設計に、新たな選択肢が加わった。

ただし、実際にどれだけの光電流を取り出せるか、変換効率をどこまで高められるかは、まだ分かっていない。今後の実験で理論通りの電荷分離が確認されれば、電圧によって電荷の移動経路を変更できるグラフェンデバイスの開発にもつながる可能性がある。まずは、電圧障壁による電荷分離を実際の素子で実証し、その性能を定量的に評価できるかが、研究の次の重要な段階となる。