2018-04-27

太陽電池の明るい未来

  太陽系の中心から強力なエネルギーを放出する太陽エネルギーの利用は、持続可能なエネルギー供給を実現するための主たる目標の一つです 。

  太陽電池という電気装置を使用すれば、太陽の光エネルギーを直接電気に変換できます。これまで多くの太陽電池の製造には、光の吸収に優れているシリコンが使われてきました。しかし、シリコンの太陽光パネルは、高い製造コストがかかります。

  そこで科学者たちは、シリコンに代わる材料として、ペロブスカイト構造からなる太陽電池の開発に取り組んできました。 実際ペロブスカイトは、地球の鉱物であるカルシウム、チタン、酸素が特定の分子配列で構成されており、同様の結晶構造を持つ材料は、ペロブスカイト構造と呼ばれます。

  ペロブスカイト構造は光を効率的に吸収し、しかもシリコンよりもはるかに安価なので、太陽電池の集光活性層として大変適しており、さらに比較的簡単な装置を使用して太陽電池に組み込むことも可能です。 例えばペロブスカイトを溶媒に溶かし、基板上に直接スプレーでコーティングすることもできるのです。

  ペロブスカイト構造の材料は、 太陽光発電装置に革命を起こす潜在能力を持っていますが、同時に重大な欠点があります。ペロブスカイトは非常に不安定になることも多く、また熱に曝されると劣化してしまうため、商業化への道が困難になっているのです。

ペロブスカイト太陽電池は、いまだに実用量産化されていない。 OISTエネルギー材料と表面科学ユニットが作製した新型ペロブスカイト太陽電池は、リウ博士の手のひらにおさまるほど、小型である。

  この度、沖縄科学技術大学院大学(OIST)のエネルギー材料と表面科学ユニットを率いるヤビン・チー准教授は、 将来の太陽電池への道を拓くような、安定性とエネルギーの変換効率面で優れ、しかも比較的安価な新型ペロブスカイト材料を使用した装置を開発しました。本研究は Advanced Energy Materials 誌に掲載されました 。ポスドク研究員、ジャ・リヨン博士とゾンハオ・リウ博士がこの論文への主要な貢献をしました。

  新たな材料には、いくつかの重要な特徴があります。1つ目は、完全に無機物で作製されているという点です。 有機物でできた構造は通常、 熱に対する安定性がなく 、 熱により劣化してしまいます。 太陽電池は太陽光の下で非常に高温になることがあり 、熱に対する安定性は決定的な要素です。この度研究者らは、 有機材料を無機材料に置き換えることにより、ペロブスカイト太陽電池をより安定的なものにすることに成功しました。

  「この太陽電池は、太陽光に300時間曝された後でも、ほとんど変化しません。」と、本研究の著者の一人であるゾンハオ・リウ博士は説明します。

無機物の多層構造を持つペロブスカイト太陽電池。 最下層は数ミリメートルの厚さのガラス、下から2層目は、FTOと呼ばれる 透明な導体材料、下から3層目は酸化チタンの電子感受性層、下から4層目は、光活性ペロブスカイト、最上層は炭素からなる。

  しかしながらこの無機物からなるペロブスカイト太陽電池は、 有機物と無機物のハイブリッドのタイプよりも、光吸収率が低い傾向があります。 そこで2つ目の特徴として、OIST研究員は、この新型ペロブスカイト太陽電池に新たな特質を導入しようと試みました。性能を向上させるため、新型電池にマンガンを加えたのです。マンガンは材料の結晶構造に変化をもたらし、集光能力を高めてくれます。

  「料理に塩を加えて味を変えるのと同じように、 マンガンを添加すると太陽電池の特性が変化するのです」と 、リウ博士は語ります。

新型ペロブスカイト材料で作られた太陽電池を手にもつ、エネルギー材料と表面科学ユニットのポスドク研究員、ロンビン・チュウ博士(左)とゾンハオ・リウ博士(右)。

 

  3つ目に、この新型太陽電池においては、太陽電池から外部ワイヤへ電流を輸送する電極は、通常の金ではなく、炭素でできています。 炭素の電極は、太陽電池の上に直接焼き付けが可能であり、 大変安価で製造も容易です。 一方、金の電極を製造するには、高温下において真空槽等の特別な装置が必要となります。

異なる層を示すペロブスカイト太陽電池の電子顕微鏡画像

 

  しかしながら今日でも、シリコン 太陽電池のような商業化実現以前に、ペロブスカイト型太陽電池には克服すべき多くの課題があります。 例えば、ペロブスカイト太陽電池の耐用年数は1~2年程度ですが、シリコン太陽電池は20年です 。

  チー准教授とユニットの研究員らは、新型太陽電池の効率と耐久性を改善し、実用化及び将来的な量産に向けた工程を開発中です。ペロブスカイト太陽電池が2009年に初めて報告されて以来、いかにこの技術が急速に発展してきたかを振り返ってみれば、将来は明るいと期待されています。

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