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薄くて曲がる有機太陽電池に新素材 (石田雅也,[スマートジャパン])

薄くて曲がる有機太陽電池に新素材 (石田雅也,[スマートジャパン])

 有機薄膜で作る太陽電池は薄いフィルム状になるため、窓ガラスなどに設置することができる。次世代の太陽電池として世界各国のメーカーや大学・研究機関などが開発中だ。東京大学の研究チームが開発した有機薄膜太陽電池は、従来と違う新素材を採用した点が特徴である。

 有機薄膜太陽電池は透明の基板の上に1対の電極を組み合わせて作る(図1)。電極のあいだには有機化合物で作った発電層があり、太陽光が当たると電子が移動して電気が流れる仕組みだ。

図1 有機薄膜太陽電池の構成と電子(e-)の流れ。出典:東京大学

 従来の有機薄膜太陽電池では電極の素材に合金の1種である「酸化インジウムスズ」を使うが、研究チームは「ニオブドープ酸化チタン」を採用した(図2)。インジウム、ニオブ、チタンはいずれも生産量が限られるレアメタルだ。このうちインジウムは需要が多いために、価格が高くて供給量も不安定な面がある。ニオブとチタンで代替できればコストダウンにつながる。

図2 ニオブドーブ酸化チタンで作った有機薄膜太陽電池(右)、従来の酸化インジウムスズ電極(左上)、新たに開発したニオブドーブ酸化チタン電極(左下)。出典:東京大学

 加えてニオブドープ酸化チタンの表面をオゾンで酸化処理する手法により、有機薄膜太陽電池に必要な電子の輸送層を一体化することができた。電極の表面に導電性の高い酸化チタンが形成されて、電子だけを流す働きが生まれるためだ(図3)。従来の酸化インジウムスズを電極に利用する場合と比べて層が1つ少なくなり、積層の工程を減らすことが可能になる。

図3 酸化チタン(TNO)の表面をオゾン(O3)で酸化処理する効果。有機発電層のフェニルC61酪酸メチルエステル(PC61BM)から電子(e-)だけが酸化チタンに流れる。出典:東京大学

課題はエネルギー変換効率の改善

 東京大学の研究チームは薄膜の製造に一般的に使われるスパッタ法でニオブドープ酸化チタンを作成した。薄膜の厚さと電極の表面をオゾン処理する時間を変えながら、薄膜シートの抵抗値を測定して太陽電池の特性を確認した(図4)。

図4 ニオブドーブ酸化チタンのシート抵抗(左)、電流−電圧特性(右)。ITO:酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide)。出典:東京大学

 実用レベルの有機薄膜太陽電池ではシートの表面抵抗率を40Ω/sq(オーム/スクエア)以下に抑える必要がある。新たに開発したニオブドープ酸化チタンの場合には、厚さを300nm(ナノメートル=10億分の1メートル)以上にすれば条件をクリアできた。ただしオゾン処理の時間が短いと、電流が小さくなることも明らかになった。オゾン処理は紫外線を照射してオゾンを分解する酸化方法である。

 薄膜シートの厚さが300nmで、オゾン処理を90分に延ばして作成した太陽電池では、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる効率が最大で2.75%まで向上した。従来の酸化インジウムスズで作成した太陽電池は2.91%だったことから、それに近いエネルギー変換効率を達成することができた。

 ただし有機薄膜太陽電池を実用化するためには、エネルギー変換効率を13%程度まで引き上げる必要があると考えられている。国内では三菱化学や東芝などが10%を超える製造方法を確立している。従来の酸化インジウムスズを代替するニオブドープ酸化チタンを使った太陽電池の効率を改善できれば、製造コストの低減につながる可能性が大きい。

 現在の太陽電池市場で主流のシリコン系の製品は厚くて重く、平面状に作ることしかできない。有機薄膜太陽電池は素材をフィルムに塗布して製造できるため、薄くて軽く、柔らかいことが特徴だ(図5)。これまで太陽電池を設置できなかったような場所にも適用できる点で、次世代の太陽電池として注目度が高い。

図5 有機薄膜太陽電池の製品イメージ(左)、製造方法(右)。出典:三菱化学

 しかも透明なフィルム状の製品を作れば、窓に貼って発電することも可能になる。現時点では実証実験のレベルながら、有機薄膜太陽電池をビルの窓に装着した事例が出始めている(図6)。

図6 フィルム状の有機薄膜太陽電池を窓に設置した例(仙台国際センターの実証実験)。出典:三菱化学

 今後はビルのエネルギー消費量を実質的にゼロにする「ネットゼロ・エネルギー・ビル(ZEB)」を増やすことが求められる。ネットゼロは消費量から発電量を差し引いてゼロにすればよい。窓や壁に太陽電池を付けて発電できると、ZEBを実現しやすくなる。


スマートジャパン」は、日本各地の企業・自治体にとって喫緊の課題である電力の有効活用と安定確保に向け、節電・蓄電・発電のための製品検討や導入に役立つ情報を提供します。企業や自治体の総務部、システム部、店舗運営者、小規模工場経営者などの方々に向けて、電力管理や省電力化を実現する製品情報、導入事例、関連ニュースをお届けするほか、製品カタログや利用ガイドなども掲載していく予定です。 http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/