太陽エネルギーの取り込みにおける主要課題を克服する半導体を発見(Semiconductor breakthrough overcomes major challenge in capturing solar energy)

2026-10-28 オックスフォード大学

オックスフォード大学と中国・武漢大学の研究チームは、太陽光を強く吸収しながら、電気エネルギーを担う電荷が失われにくい新しい半導体材料「硫化ビスマス(Bi₂S₃)」の特性を明らかにした。従来、太陽電池材料では、光吸収能力を高めると電子と正孔が再結合して消失する速度も速くなるという課題があった。研究チームは、超短レーザーパルスと超高速テラヘルツ分光法を用いて電荷の消失過程を測定し、電子構造の理論計算と組み合わせて、その仕組みを解明した。硫化ビスマスでは、エネルギー準位の特殊な配置により、電荷が長く存在できる状態に一時的に蓄えられる。研究チームは、室温での電荷消失速度が、同程度の光吸収能力を持つ従来型材料と比べて約75%低下すると推定した。この発見は、光吸収と電荷保持の両立という新たな材料設計指針を示すもので、太陽電池の効率向上や太陽光を利用した燃料製造への応用が期待される。ただし、現段階では物理的な仕組みの実証であり、実用太陽電池への応用にはさらなる研究が必要である。

太陽エネルギーの取り込みにおける主要課題を克服する半導体を発見(Semiconductor breakthrough overcomes major challenge in capturing solar energy)
Non-contact optical probes of semiconductor performance. Credit: Laura Herz.

<関連情報>

擬似直接半導体における電子-正孔再結合の遅延 Delayed electron–hole recombination in a pseudo-direct semiconductor

Marcello Righetto, Debalina Banerjee, Zhenglin Jia, Joshua R. S. Lilly, Vincent J. -Y. Lim, Snigdha Lal, Siyu Yan, Jae Eun Lee, Jay B. Patel, Michael B. Johnston, Qianqian Lin, Marina R. Filip & Laura M. Herz
Nature  Published:28 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-11223-x

Abstract

Kirchhoff demonstrated the reciprocity between absorptivity and emissivity for blackbody radiation in 1860 (ref. 1), thereby establishing the general principle that a good absorber must also be a good emitter. This principle underpins the generalized Planck’s law2 and, when applied to semiconductors—in the form of the van Roosbroeck–Shockley equation3—results in substantial limitations to solar energy conversion. Here we demonstrate how this reciprocity can be circumvented in semiconductors, such as bismuth sulfide, showing a pseudo-direct bandgap character—that is, featuring a lower-energy indirect transition paired with a direct transition placed a few kBT above. After determining the pseudo-direct bandgap nature of bismuth sulfide, we reveal how this feature substantially retards bimolecular electron–hole recombination in this material with respect to classic direct semiconductors4. The resulting combination of a high absorption coefficient and delayed recombination offers the unprecedented possibility of overcoming limitations associated with Planck’s law, with far-reaching potential for solar energy conversion.

0403電子応用
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