この薄型太陽電池は、あらゆる表面をエネルギー源に変える

• 研究者らは、あらゆる表面をすばやく簡単に電源に変えられる、超軽量の布製太陽電池を開発しました。

• この太陽電池は、従来の太陽光パネルの100分の1の重さでありながら、1キログラム当たり18倍の電力を発電できます。

• 研究者らはこの装置の耐久性を試験しました。布製太陽光パネルを500回以上巻いて広げた後も、電池は初期の発電能力の90％を維持していました。

MITのエンジニアらは、あらゆる表面をすばやく簡単に電源に変えられる、超軽量の布製太陽電池を開発しました。

人の髪の毛よりもはるかに薄いこの耐久性と柔軟性を備えた太陽電池は、強くて軽い布に接着されているため、固定面に簡単に設置できます。身に着けられる発電布として移動中に電力を供給したり、遠隔地に運んで緊急時の支援に迅速に展開したりできます。従来の太陽光パネルの100分の1の重さで、1キログラム当たり18倍の電力を発電します。また、半導体インクから作られ、将来的には大面積製造へと拡大できる印刷工程を用いています。

非常に薄く軽量なため、この太陽電池はさまざまな表面に貼り合わせることができます。例えば、航行中に電力を供給するために船の帆に組み込んだり、災害復旧活動で使用するテントや防水シートに貼り付けたり、ドローンの飛行距離を延ばすために翼に取り付けたりできます。この軽量太陽光技術は、設置の手間を最小限に抑えながら、建築環境に容易に組み込めます。

これらの超薄型太陽電池は、あらゆる表面を電源に変えることができる。

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「新しい太陽電池技術を評価する指標は、通常、変換効率とワット当たりのコストに限られます。同じくらい重要なのが統合のしやすさ、つまり新技術をどれほど容易に適応させられるかです。軽量の太陽光発電布は統合のしやすさを実現し、今回の研究を後押ししました。新たなカーボンフリーエネルギー源を導入する緊急性が現在高まっていることを踏まえ、太陽光発電の普及を加速させたいと考えています」と、ファリボルズ・マセー新興技術教授で、オーガニック・ナノ構造エレクトロニクス研究所（ONE Lab）の所長、MIT.nanoのディレクターを務め、新たな研究論文の筆頭著者であるウラジーミル・ブルオヴィッチ氏は述べています。

論文では、共同筆頭著者として、MITの電気工学・コンピューターサイエンス専攻の大学院生マユラン・サラヴァナパヴァナンタム氏と、MIT電子工学研究所の研究科学者ジェレマイア・ムワウラ氏がブルオヴィッチ氏とともに名を連ねています。この研究は本日、『Small Methods』誌に掲載されました。

薄型化した太陽電池

従来のシリコン太陽電池は壊れやすいため、ガラスで覆い、重く厚いアルミニウム製の枠に収める必要があります。そのため、設置できる場所や方法が限られます。

6年前、ONE Labのチームは、新たに登場した薄膜材料群を用いて、非常に軽量な太陽電池を製作しました。その軽さは、シャボン玉の上に載せられるほどでした。しかし、この超薄型太陽電池は複雑な真空処理工程で製造されており、コストがかかるうえ、規模拡大も困難でした。

今回の研究では、インクベースの材料と拡張可能な製造技術を使い、すべて印刷で作れる薄膜太陽電池の開発を目指しました。

太陽電池の製造には、印刷可能な電子インクの形をしたナノ材料を使います。MIT.nanoのクリーンルームで、スロットダイコーターを用いて太陽電池の構造を塗布します。この装置は、厚さわずか3マイクロメートルの、あらかじめ用意された剥離可能な基板の上に電子材料の層を形成します。スクリーン印刷（シルクスクリーンTシャツにデザインを加えるのと似た技法）で電極を構造上に形成し、太陽電池モジュールを完成させます。

次に研究者らは、厚さ約15マイクロメートルの印刷済みモジュールをプラスチック基板から剥がし、超軽量の太陽電池デバイスを作ります。

しかし、このような薄く自立した太陽電池モジュールは扱いが難しく、簡単に破れてしまうため、展開が困難です。この課題を解決するため、MITのチームは太陽電池を貼り付けられる、軽量で柔軟性と高強度を備えた基板を探しました。わずかな重量増で機械的な弾力性と柔軟性をもたらす布が、最適な解決策だと判断しました。

研究者らは理想的な材料として、1平方メートル当たりわずか13グラムの複合布を見つけました。これはDyneemaの商品名で市販されています。この布は非常に強い繊維でできており、沈没したクルーズ船コスタ・コンコルディアを引き揚げる際、ロープとして使用されました 。紫外線硬化型接着剤を数マイクロメートルの厚さで塗り、この布のシートに太陽電池モジュールを貼り付けます。これにより、超軽量で機械的にも堅牢な太陽電池構造が形成されます。

「太陽電池を布に直接印刷すれば、より簡単に見えるかもしれません。しかし、その方法では、デバイス製造に必要なすべての工程において化学的・熱的に適合する布やその他の基材に、選択肢が限られてしまいます。私たちの手法では、太陽電池の製造と最終的な統合を切り離しています」とサラヴァナパヴァナンタム氏は説明します。

従来の太陽電池を上回る性能

デバイスを試験したところ、MITの研究者らは、自立状態では1キログラム当たり730ワット、高強度のDyneema布に取り付けた場合は約370ワットの電力を発電できることを確認しました。これは、従来の太陽電池と比べて1キログラム当たり約18倍の電力です。

「マサチューセッツ州の一般的な屋上太陽光発電設備の出力は約8,000ワットです。同じ量の電力を発電する場合、私たちの布製太陽光発電設備が住宅の屋根に加える重量は、わずか約20キログラム（44ポンド）です」と同氏は述べます。

研究者らはデバイスの耐久性も試験しました。布製太陽光パネルを500回以上巻いて広げた後でも、電池は初期の発電能力の90％超を維持していました。

この太陽電池は従来型よりはるかに軽く、柔軟性にも優れていますが、環境から保護するため、別の材料で覆う必要があります。電池の製造に使われる炭素系有機材料は、空気中の水分や酸素と反応して変質し、性能が低下する可能性があります。

「従来のシリコン太陽電池と同じように、この太陽電池を重いガラスで覆うと、今回の進歩の価値が損なわれてしまいます。そのためチームは現在、超軽量デバイスの重量をわずかに増やすだけの、超薄型の封止方法を開発しています」とムワウラ氏は述べます。

「超軽量で柔軟なこの太陽電池構造の形状と性能を維持しながら、太陽光発電に寄与しない材料を可能な限り取り除く作業を進めています。例えば、剥離可能な基板を印刷すれば、製造工程をさらに効率化できると分かっています。これは、デバイスの他の層を製造するために使っている工程と同じです。この方法により、この技術の市場投入を加速できます」と同氏は付け加えます。

この研究は、MITエネルギー・イニシアチブを通じたEni S.p.A.、米国国立科学財団、カナダ自然科学・工学研究会議から一部資金提供を受けています。