講演テーマTitle of Presentation

「高効率太陽光発電のためのフォトニック設計」

ここ10年の間に太陽光発電技術は爆発的に発展し、この技術そのものを取り巻く環境は根本的に変わってきている。さらに、このことは、高効率化を目指す太陽電池の研究そのものにも影響を及ぼすようになっている。すなわち、現在、結晶シリコン太陽電池がすべての他の太陽電池技術を凌駕するようになり、今やシリコン太陽電池モジュールは高変換効率（電池：η = 17-25%; モジュール: η =15-22%）のものが１ワット当たり0.8米ドル以下( <0.80米ドル/ワット) で入手できるようになっている。その結果、最先端研究は、超高変換効率（η = 30-50% かそれ以上）を実現する技術を競う段階に移行している。このような高効率太陽電池を実現するためには、根本的な光学原理の理解と、太陽光がもつ全てのスペクトルの有効利用を考えることが肝要である。このためには以下の3つの全てのアプローチが重要である。i ) 太陽光変換効率の限界を支配している根本的な原理の理解、ii )高品質光半導体材料の開発、iii ) メタサーフェスやフォトニック結晶など新しい概念の電磁気学的な材料開発。本講演では、広帯域光吸収のための光トラップや、散逸光子の角度分布の制御、さらには、全スペクトルを熱損失なく利用するためのスペクトル分割方式など、様々なフォトニック設計および実現法について議論する。

プロフィールProfile

ホームページ　URL

http://daedalus.caltech.edu

簡単な履歴

「ハワード・ヒューズ プロフェッサー」のひとりで、カリフォルニア工科大学（カルテック）応用物理・材料科学部教授。理学士、理学修士、博士号をそれぞれ1981年、1983年、1987年にマサチューセッツ工科大学で取得後、1987～88年にハーバード大学でIBMポストドクトラルフェローシップ、1988年からカルテックで教鞭をとる。

現在、DOE人工光合成ジョイントセンター長、カルテック最大の寄附研究プロジェクト、レズニック科学・エネルギー・持続可能性研究所所長を務める。その科学的関心事には、太陽光発電と太陽エネルギー、プラズモニクスとメタマテリアルという2つのテーマがあげられる。研究グループでは、新しい高効率太陽電池の設計と太陽電池の光マネジメントのための基本原理を開発した。ナノフォトニクスとプラズモニクスの開拓者であり、2001年にこの分野を「プラズモニクス」と名付けている。31,000回以上引用されている400本を超える単著、共著の出版物があり、研究グループの太陽エネルギーとプラズモニクスの分野における進展は、「サイエンティフィック アメリカン」、「サイエンス」、「ネイチャー マテリアルズ」、「ネイチャー フォトニクス」、「アドバンスト マテリアルズ」誌で公表されてきた。

現在、単一接合太陽電池での太陽電池効率の世界記録を持つカリフォルニア州サンタクララのベンチャー支援企業・アルタ デバイセズ社の共同創設者兼チーフ・テクニカルアドバイザーでもあり、同社は目下、高性能/低コストの砒化ガリウム（GaAs）を用いた太陽電池技術を製造と大規模生産に移行中である。「ACSフォトニクス」誌の編集主任、「IEEE ジャーナル オブ フォトニクス」の共同編集者で、2006年にプラズモニクスに関するゴードン研究会議を創設し、2008年にはその議長を務めた。

産業界・政府/公的機関のコンサルタントとしても幅広く活動し、1997年のマテリアル リサーチ ソサエティ議長、1999年のAVSエレクトロニクス マテリアルズ アンド プロセッシング ディヴィジョン長、2000年のマテリアル リサーチ ソサエティ会長、さらにゴードン研究会議の評議員と、材料分野に積極的に貢献している。カルテック修士レベルの応用物理学のクラスでも、光エレクトロニクス、固体物理学、デバイス物理を教えている。

主な受賞・栄誉等

・Member, U.S. National Academy of Engineering, 2015

・Julius Springer Prize in Applied Physics, 2014

・ISI Highly Cited Researcher 2014

・Royal Netherlands Academy of Sciences Visiting Professorship, 2013

・Eni Award Prize in Renewable and Non-conventional Energy, 2012

・SPIE Green Photonics Award, 2012

・Materials Research Society Fellow, 2011

・Breakthrough Award, Popular Mechanics, 2010

・Fred Kavli Distinguished Lectureship in Nanosciences, Materials Research Society, 2010

・Joop Los Fellowship, Dutch Society for Fundamental Research on Matter, 2005.

・A.T. & T. Foundation Award, 1990.

・NSF Presidential Young Investigator Award, 1989.

・IBM Faculty Development Award, 1989-1990.

・Member, Bohmische Physical Society.

・IBM Postdoctoral Fellowship, 1987.

主な論文・著作等

1.“Path entanglement of surface plasmons”, J.S. Fakonas, A. Mitskovets, H.A. Atwater

2.“Two-plasmon quantum interference”, J.S. Fakonas, H. Lee, Y.A. Kelaita, and H.A. Atwater, Nature Photonics 8 (4), 317-320 (2014).

3.“Nanoscale Conducting Oxide PlasMOStor” H.W. Lee, G. Papadakis, S.P. Burgos, K. Chander, A. Kriesch, R. Pala, and H.A. Atwater, Nano letters 14 (11), 6463-6468 1 (2014).

4.“Tunable large resonant absorption in a midinfrared graphene Salisbury screen”, M.S. Jang, V.W. Brar, M.C. Sherrott, J.J. Lopez, L. Kim, S. Kim, M. Choi, and H.A. Atwater, Physical Review B 90 (16), 165409 (2014).

5.“Highly confined tunable mid-infrared plasmonics in graphene nanoresonators”, V.W. Brar, M.S. Jang, M.C. Sherrott, J.J .Lopez, H.A. Atwater, Nano letters 13 (6), 2541-2547 (2013).

6.“Plasmonic color filters for CMOS image sensor applications”, S. Yokogawa, S.P. Burgos, H.A. Atwater, Nano letters 12 (8), 4349-4354 (2012).

7.“Photonic design principles for ultrahigh-efficiency photovoltaics”, A. Polman, and H.A. Atwater, Nature Materials pp 174-177 (2012).

8.“Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications”, MD Kelzenberg, S.W. Boettcher, J.A. Petykiewicz, Nature Materials 9 pp 239-244 (2010).

9.“Plasmonics for improved photovoltaic devices” H. A. Atwater & A. Polman, Nature Materials 9, pp. 205-213 (2010).

10.“PlasMOStor: A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator” J.A. Dionne, K. Diest and HA Atwater Nano Letters 9 pp. 897-902 (2009).

11.“Photovoltaic measurements in single-nanowire silicon solar cells”, M.D. Kelzenberg, D.B. Turner-Evans, B.M. Kayes, Nano Letters 8 pp 710-714 (2008).

12.“Plasmonic nanoparticle enhanced light absorption in GaAs solar cells”, K. Nakayama, K.Tanabe, H.A. Atwater, Applied Physics Letters 93 Article Number: 121904 (2008).

13.“Negative refraction at visible frequencies”, Lezec, Henri J.; Dionne, Jennifer A.; Atwater, Harry A, Science 316, pp. 430-432 (2007).

14.“Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguides”, S.A. Maier, P.G. Kik, H.A. Atwater, S. Meltzer, E. Harel, B.E. Koel, AAG Requicha, Nature Materials 2 pp 229-232 (2003).

15.“Plasmonics – A route to nanoscale optical devices”, S.A. Maier, M.L.Brongersma, P.G. Kik, S. Meltzer, A.A.G. Requicha, H.A. Atwater, Advanced Materials 13, 1501 (2001).