今回のテーマは、材料を塗って作れる「有機薄膜太陽電池」。材料を何かにスプレーすれば、太陽光があるところならどこでも電力に変換できるようになるかもしれない、夢のある新型太陽電池の研究です。従来セル単位で11％程度が最高だった電力変換効率を12〜15％へと改善する技術が、日本の理化学研究所の手で開発・検証されました。太陽電池メーカーがひた隠す効率アップの秘密がここにあるかもしれません。

「有機薄膜太陽電池」って何？

プラスチック（有機高分子）などの有機材料で作る太陽電池。シリコンなど金属を利用する太陽電池に比べ、軽く、薄く、大面積で、曲面にも貼り付けられる特徴をもち、製造にはインクジェットやロールコーティングなどの印刷技術や塗布技術などを利用して作成できることから、低コスト性にも期待される。

「有機薄膜太陽電池」ってどういうもの？

まずは今回理化学研究所で開発された太陽電池の外観を見てみよう。図1の四角い物体がそれだ。薄い緑色のガラス板の表裏に何やら薄い金属が貼り付いているように見えるが、それは電極。肝心な電気を起こす仕組みは、実は透明なガラス板に塗布された、緑色に見える膜にある。

図1 新しく開発された有機薄膜太陽電池（資料提供：理化学研究所）

研究用の試作品なので小さいが、理論的には電極の上に材料を塗れば作れるので、巨大な巻物のような基材に液体に溶かした有機材料をロールコーターでコーティングすれば、幅広で長尺の太陽電池が出来上がる。それをビル壁面に貼り付ければ大きな電力供給が可能になる。

柔軟性があり、曲面への貼り付けにも対応できるため、平面形状ではないドーム型の屋根を持つ大型建築物にも適用が可能だろう。さらに特定の光波長の利用が前提にはなるが色をつけることも簡単なので、さまざまな意匠の建築物やエクステリアなどにも利用できよう。今回の研究とは異なるが、災害時などに現場にある岩などに材料をスプレーして太陽電池をその場で作って電力供給をしようという研究もある。

「有機薄膜太陽電池」の仕組み

現在私たちの身近にある太陽電池の大半が、シリコンなどの無機材料を使用している。その発電の原理は有機薄膜太陽電池と基本的には同様だ。

無機材料の太陽電池は、伝導電子があり余っている「n型半導体」と、伝導電子が少なく電子が入り込む場所（正孔）が空いている「p型半導体」を接合して作る。n型半導体とp型半導体を接合すると、n型から電子がp型に流れ込み、n型はプラス、p型はマイナスに帯電し、安定する。そこに光が当たると電子と正孔の対（クーロン力で束縛し合っている）がエネルギーをもらって動きやすくなり（励起するという。励起した電子と正孔の対は「励起子」という）、n型とp型の界面では、帯電で生まれた内部電界に引かれて電子はn型半導体に移動し、正孔はp型半導体に移動する。この時に移動した電子がn型半導体の中の電子を玉突きのように押し出して、外部の回路などに出ていく。これが電力となる。

有機薄膜太陽電池の場合も有機材料でできたn型半導体とp型半導体の接合を利用する。n型半導体には、「フラーレン（C60）誘導体」と呼ばれる、比較的新しく作れるようになったサッカーボール状の炭素分子に化学修飾をしたものが使われる。p型半導体としては、「共役系ポリマー」「導電性ポリマー」「半導体ポリマー」などと呼ばれる、半導体の性質をもったプラスチックが使われる。それらを接合して作る有機薄膜太陽電池のイメージと起電力が生まれる原理を図2に示す。

図2 有機薄膜太陽電池の模式図と起電の原理（資料提供：理化学研究所）

図2に見るように、光を通す「透明電極」と金属の電極で、半導体ポリマーとフラーレン誘導体が混ざった材料をサンドイッチにする構造だ。光が半導体ポリマーに当たり、エネルギーをもらってできた励起子がp-n接合の界面にくると、電子と正孔が分離（電荷分離）して互いに逆方向（電極の方向）に移動していく。

でもなぜp型とn型の材料が整然と重なるのではなく、混ざり合わされているのだろうか。実は、図3に見るように、以前開発された有機薄膜太陽電池では、無機太陽電池と同じように材料を平たくして重ねる構造をしていた。しかしこれではなかなか電力変換効率が上がらなかった。電荷分離が起きるp-n接合の面積が小さいのが原因だった。そのため、現在ではp型半導体とn型半導体をナノサイズで混ぜあわせ、小さなp-n接合を無数に作り出して全体として接合面積を上げるようにしているわけだ（図3）。

図3 かつてのp/n積層型構造と現在のp/n混合型構造（オリジナル画像提供：九州大学安達千波矢・中野谷一研究室 http://www.cstf.kyushu-u.ac.jp/~adachilab/lab/ ）

電力変換効率を上げるための方法

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