この記事を読んでいる今、窓が見えますか？
窓は何世紀にもわたり社会に広く普及し、家庭や職場を自然光で満たしてきました。しかし、窓が発電もできるとしたらどうでしょう？ 普通の窓で、携帯電話を充電したり、やかんのお湯を沸かしたりできるとしたら？
米国だけでも、ガラスの表面積が50億〜70億平方メートルにのぼるなか、米国だけでも、太陽光発電窓は太陽のエネルギーを活用する優れた方法となるでしょう。私たちの研究は、窓として機能するだけの光を通す太陽光パネルの作り方を示し、この目標に向けた一歩となるものです。
再生可能エネルギーの経済性は、ますます有利になっています。オーストラリアをはじめ世界各地で、シリコン太陽電池はすでに屋根上太陽光発電市場を席巻しています。屋根上太陽光発電は、電力を生み出す方法として、ますます安価で効率的になっています。
シリコンモジュールは屋根には適していますが、不透明でかさばります。窓に適した太陽電池を設計するには、従来の発想にとらわれない必要があります。
屋根に太陽光パネルを設置するときは、できるだけ多くの日光を吸収して最大限の電力を生み出せるようにしたいものです。一方、窓では、光を吸収して電気に変えることと、窓越しに外が見えるよう光を透過させることの間に、必然的にトレードオフが生じます。
窓に取り付けられる太陽電池を考える際、重要な指標の一つが平均可視光透過率（AVT）です。これは、窓に当たる可視光（赤外線や紫外線などの他の波長とは異なる）が、窓を通り抜けて反対側へ出ていく割合を示します。
もちろん、太陽光発電窓が光を吸収しすぎて、外が見えなくなるのは困ります。かといって、光を通しすぎて太陽光発電がほとんどできないのも望ましくありません。そこで科学者たちは、高い発電効率と高いAVTの間で最適なバランスを探ってきました。
電圧が鍵
太陽光発電窓では、AVT 25％が一般に一つの基準とされています。しかし、光の4分の1を太陽電池に通すと、多くの電流を生み出すのが難しくなります。そのため、半透明太陽電池の効率はこれまで低いままでした。
ただし、電力は電流と電圧という二つの要素で決まる点に注目してください。最近の研究では、電圧を高めることに焦点を当てました。不透明な太陽電池で高い電圧を生み出すことが示されている新しい有機吸収材料を慎重に選びました。
半透明太陽電池に用いた場合も、透過する光の量が多くても電圧は大きく低下せず、高い値を保ちました。その結果、不透明な太陽電池と比べて電流は低下したものの、電圧が高まったことで、従来の半透明太陽電池を上回る効率を達成できました。
ここまで来たところで、重要な疑問が浮かびます。新しい半透明太陽電池で窓を作ると、どのように見えるのでしょうか？
あなたには何が見えますか？
友人が赤いシャツを着ているとします。その人を窓越しに見たとき、シャツは赤く見えるはずです。ガラス窓なら確かにそうなるので、当たり前のように思えます。
しかし、半透明太陽電池は可視光の一部を吸収するため、色を再現する性質については、より慎重に考える必要があります。色再現指数（CRI）を算出すれば、太陽電池が画像をどれほど正確に表現できるかを測定できます。私たちの調査では、吸収層の厚さを変えると、太陽電池が生み出せる電力だけでなく、色を正確に再現する能力も変化することが分かりました。
優れたCRIにつながる可能性のある別のアプローチは、有機吸収材料を、太陽からのエネルギーを可視光の範囲外で吸収する材料に置き換えることです。太陽光から電力への変換が赤外線の範囲で起こるため、人の目には通常のガラスのように見えます。
ただし、太陽光から電気に変換できる電力が大幅に制限されるため、太陽電池の効率にも上限が生じます。
次の課題は？
これまでに作製した太陽電池は、小規模な試作品にとどまっています。大型で高効率な太陽光発電窓を実現するには、まだいくつもの課題があります。特に、太陽電池から電荷を集める透明電極は、壊れやすく、インジウムなどの希少元素を含む場合があります。
科学の力でこうした課題を解決できれば、太陽光発電窓を大規模に導入することで、再生可能エネルギー技術による発電量を増やせる可能性があります。
太陽光発電窓はまだ視界いっぱいに広がる段階ではありませんが、その姿を垣間見られるところまで近づいています。
