新たな研究によると、透明性に配慮した新しい太陽電池の設計により、太陽光発電機能も備えた窓の実現に道が開ける可能性があります。
透明な太陽光パネルを作るため、研究者らは炭素系材料の利用を模索しています。
この太陽電池を設計したチームは、30年後もなお80%の効率で稼働し続けると推定しています。
研究者らによると、透明性に配慮した新しい太陽電池の設計は、高い効率と推定30年の寿命の両立を可能にする可能性があるとのことです。
これにより、太陽光発電機能も備えた窓の実現に道が開ける可能性があります。
「太陽エネルギーは、産業革命以降に人類が生み出してきたエネルギーの中で、ほぼ最も安価なものです」と、本研究を主導したミシガン大学電気工学教授のStephen Forrest氏は述べています。「こうした装置を窓に使えば、建物が発電所になります」
シリコンは依然として太陽光パネルの変換効率で王者ですが、透明ではありません。窓に適した太陽光パネルとして、研究者らは有機系、すなわち炭素系の材料を模索してきました。Forrest氏のチームにとっての課題は、非常に高効率な有機系光変換材料が使用中に急速に劣化するのをいかに防ぐかでした。
これらの材料の長所と短所は、光によって生成された電子を電極へと伝える分子、すなわち太陽光発電を利用または蓄電する回路への入り口となる分子にあります。これらの材料は一般に「非フラーレン系アクセプター」と呼ばれ、ナノスケールの炭素網からなる、より堅牢だが効率の低い「フラーレン系アクセプター」とは区別されます。硫黄を含む非フラーレン系アクセプターを用いた太陽電池は、シリコンに匹敵する18%の変換効率を達成できますが、寿命は長くありません。
研究者らはこの状況を変えるべく取り組みました。実験では、太陽光を変換する材料を保護しない場合、1サンの照度に相当する条件下で、12週間以内に効率が初期値の40%未満まで低下することを示しました。
「非フラーレン系アクセプターは非常に高い効率をもたらしますが、高エネルギー光子、特に太陽光に多く含まれる紫外線（UV）光子によって容易に解離する弱い結合を含んでいます」と、電気工学・コンピュータ科学分野の助教授研究員で、本論文の筆頭著者であるYongxi Li氏は述べています。
保護されていない太陽電池の劣化の性質を調べた結果、研究チームは、補強が必要なのは数か所だけだと判断しました。まず、紫外線を遮断する必要があります。そのため、ガラスの太陽に面した側に、日焼け止めに一般的に使われる成分である酸化亜鉛の層を追加しました。
光吸収領域の隣に配置された薄い酸化亜鉛層は、太陽光によって生成された電子を電極へ導く役割を果たします。しかし残念ながら、この層は壊れやすい光吸収材も分解してしまうため、研究チームはバッファー層として、IC-SAMと呼ばれる炭素系材料の層を追加しました。
さらに、電子が抜けた後の空間とも言える、正に帯電した「正孔」を回路へと引き出す電極も、光吸収材と反応する可能性があります。その側面を保護するため、サッカーボール形のフラーレンによる別のバッファー層を追加しました。
その後、研究チームは、通常の1サンから27サン相当までの異なる強度の模擬太陽光の下で、新たな防護策を試験し、温度を華氏150度まで上げた条件下で試験しました。これらの条件下での性能劣化を調べることで、研究チームは、太陽電池が30年後もなお80%の効率で稼働し続けると推定しました。
Forrest氏は、これらの装置が「身近な窓に」登場する未来を思い描いています。同氏のチームはすでにモジュールの透明度を40%まで高めており、60%の透明度に近づけられると考えています。
また、報告された半透明モジュールで達成された10%の効率を、高い透明度で可能と考えられる15%に近づけるための改良も進めています。材料は液体として調製できるため、製造コストは比較的低くなると見込まれています。
本研究は、Nature Communicationsに掲載されています。ノースカロライナ州立大学、中国の天津大学および浙江大学の研究者も本研究に貢献しました。
本研究の資金は、米海軍研究局および米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局から提供されました。Universal Display Corp.は本研究のライセンスを保有しています。ミシガン大学は金銭的利害関係を有しており、Forrest氏はUniversal Display Corp.の所有持分を保有しています。
出典：ミシガン大学
