日本発の太陽電池

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【クローズアップ科学】日本発の太陽電池ペロブスカイト、年内にも実用化　柔軟で透明、窓や衣類に用途広げる

2018年2月11日 10時6分　産経新聞
柔軟に曲がり透明化も可能なペロブスカイト太陽電池（宮坂力・桐蔭横浜大特任教授提供）

　日本発の次世代太陽電池が注目を集めている。

　フィルム状で柔軟に曲げることができ、低コストで透明化も可能だ。光エネルギーの変換効率は現在主流のシリコン系に迫る水準に向上。年内にも実用化が始まる見通しで、太陽電池の用途を大きく広げそうだ。（伊藤壽一郎）

特殊な結晶構造

　太陽光から電気を作り出す太陽電池は現在、半導体の基板材料にシリコン（ケイ素）を使うタイプが主流だ。これに対して次世代型の本命といわれるのが「ペロブスカイト」と呼ばれる特殊な結晶構造の材料を使うタイプだ。

　鉛を中心に有機化合物、ヨウ素、臭素などが規則的に並ぶ構造で、光を吸収しやすい。太陽光を浴びると電気的にマイナスの電子とプラスの「正孔」が生じ、光エネルギーが電気エネルギーに変換される。この原理を桐蔭横浜大の宮坂力（つとむ）特任教授が２００５年に発見し、太陽電池に利用する可能性に道を開いた。

　宮坂氏は翌年、ペロブスカイト構造を持つフィルム状の物質を２種類の材料でサンドイッチ状に挟み、電子と正孔を逆方向に分離して動かすことで電流が生じる太陽電池を世界で初めて学会で報告し、０９年に論文を発表した。

　太陽電池の基本性能である光エネルギーの変換効率は当初、わずか２・２％で、シリコン系の２６％台に遠く及ばなかった。だが、元素構成の改良などで急速に向上し、昨年１２月には韓国の研究チームがシリコン系に肉薄する２２・７％を達成した。

　ありふれた元素を使うため原料費は安い。製造が簡単なのも利点で、ペロブスカイト物質を含む溶液をガラスやプラスチックの基板にペンキのように塗って乾かすだけで「中学校の理科室でも作れる」（宮坂氏）。真空ポンプなどの大規模な製造装置が必要なシリコン系に比べ、製造コストは半分以下という。

　最大の特徴は薄く柔軟なことだ。シリコン系は固く割れやすいため、最低でも0.1mm程度の厚さを持たせる必要がある。ペロブスカイト物質は重い鉛を含むため比重は２倍だが、100分の１以下の厚さで軽く作れる。

　太陽電池の軽量化は設置場所や用途を大きく広げそうだ。シリコン系は重さに耐える平らな場所にしか設置できないが、フィルムのように薄く軽ければ、それほど強度のない壁面や、曲面に取り付けることもできる。

　ペロブスカイト物質は赤褐色だが、薄くすれば透明化も可能だ。東京大の研究チームは昨年、半透明の太陽電池を開発。住宅やビルの窓ガラス、自動車のスモークガラスや天井から光を取り込むサンルーフなどへの応用を想定している。

　理化学研究所は衣類に張り付けることができ、洗濯しても変換効率が大幅に低下しない超薄型の太陽電池の開発を検討している。

　これらが実用化すれば、自動車のバッテリーや家庭用電力の補助に役立つ。衣類やかばんに張って外出しながら発電し、携帯電話などのモバイル機器の充電もできそうだ。

　ペロブスカイト太陽電池は当初、ほとんど注目されなかった。変換効率があまりに低かったからだ。だが12年に10.9％を達成してからは開発競争が一気に激化。宮坂氏の09年の論文は、これまでに世界で５千回以上も引用されている。

　開発初期は耐久性も数カ月にとどまり、20年以上に及ぶシリコン系と比べ大幅に短いことが大きな欠点だった。しかし、有機化合物の変更などの改良が続いた結果、最近は10年以上に向上したことが実験で確認されている。

　残る大きな課題は、劣化した際に有害な鉛が漏れ出し、環境を汚染する懸念だ。このため無害な代替物質の研究が活発化している。理研は昨年、世界最高水準のスーパーコンピューター「京」によるシミュレーションで、有害物質を含まないペロブスカイト構造の候補物質を一挙に51個も発見した。

　宮坂氏は「量産ラインの整備を急いでいる企業もあり、年内にも実用化が始まるだろう。今後はシリコン系を駆逐するのではなく、用途や環境に応じた使い分けや組み合わせで共存していくだろう」と話している。