再生可能エネルギーの積極的活用を推進する日本において、太陽光発電は非常に有望な技術です。太陽光からエネルギーを生み出すには太陽電池が重要な装置であり、現在最も普及している太陽電池はエネルギー変換効率が高いものの、価格面や材質面で改良の余地が残されています。
太陽電池の技術改良が各地で進む中、東京大学大学院理学系研究科と工学系研究科(以下、東大)が、CNT(カーボンナノチューブ) を活用した新しいタイプの太陽電池を開発しました。
そこで今回の記事では、東大が開発したこの新しいタイプの太陽電池について、従来の太陽電池とはどのような面で異なり、どれほど画期的なのかをご紹介いたします。
現在、一般に使用されている太陽電池は大きく分けて3つの種類に分けることが出来ます。それぞれの種類の特徴は以下の通です。
シリコンを使用した太陽電池です。この種類の最も優れた面は、他のタイプと比べてエネルギー変換効率が高いことであり、そのため日本国内で最も普及しています。しかし、シリコンという材質はコストが高くなりがちで、経済性に問題があります。また、太陽光パネルの厚みが増してしまい、柔軟性に欠けてしまうというデメリットもあります。
銅、インジウム、セレンといった無機化合物を使用した太陽電池です。高気温下でも変換効率を落とすことなく機能できる特徴があり、また影がかかっても発電量に大きな影響を与えることはありません。そのため、設置環境の制限はそれほど厳しくないというメリットがあります。さらに、シリコン系より安価というメリットもあります。しかし、エネルギー変換効率については決して良いとは言えず、この点が無機化合物のデメリットと言えます。
炭素材料を活用した有機系化合物の太陽電池です。柔軟性に富んだ材料で製造することができ、加工しやすくビルの壁面等にも備え付けることが可能です。将来の太陽電池として有望視されている種類です。しかし、エネルギー変換効率が上記の化合物系以上に悪いことがデメリットであり、性能改善が求められています。
この度、東大が開発した太陽電池は、上記の有機系太陽電池のタイプになります。
有機系太陽電池にはエネルギー変換効率が悪いというデメリットがありましたが、有機系太陽電池の中でも有機薄膜太陽電池と呼ばれる種類では、近年、変換効率の改善が行われきました。しかし、有機薄膜太陽電池の透明電極にはインジウムが使用されていることが多く、インジウムはレアメタルであるため、将来的に供給不足が懸念されています。
そこで東大では、インジウムの代わりに資源豊富な炭素を用いたCNT(カーボンナノチューブ)を、透明電極の材質として採用しました。このことにより、有機薄膜太陽電池を大量生産しても、材料の供給不足のリスクを回避することが出来ます。
なお、透明電極にCNTを活用した同様の開発は従来から行われてきていましたが、やはりエネルギー変換効率の悪さが解決すべき問題として残っていました。従来の方式では変換効率が2%前後と言われています。しかし、東大の研究ではCNTを活用しながらもエネルギー変換効率を向上させる技術開発に成功し、変換効率として6%以上達成したようです。
さらに、カーボンナノチューブ薄膜をPETフィルムの上に転写することで、柔軟性に富んだ応用範囲の広い太陽電池が実現します。
有機薄膜太陽電池は、次世代の太陽光電池として期待されています。従来の太陽光電池というと、厚みと重さがありスペースもとっていました。有機薄膜太陽電池は、とても軽量であり、なおかつ大量に印刷することができます。そして、使い方が自由自在です。フィルムのようにして窓に貼り付けたり、ペンキのようにして車に塗りつけたり、これまでの太陽光発電とは全く異なった使い方が期待されています。
また、従来の太陽電池モジュールと比べて、生産コストが低いというのも魅力の一つです。新聞のように大量に印刷をしたり、ロール状のフィルムのように生産をしたり、工場の流れ作業で生産が可能です。組み立てる工程などもないため、人件費も従来よりもかかりません。
このような性能やコストメリットがあり、今後研究が進んでいけば化石燃料に代わる発電方式になっていくでしょう。将来的には、どんな形状の屋根にも太陽光発電をつけられ、他にもありとあらゆる使用方法が生まれてくるでしょう。
東大の研究により変換効率が6%以上になったと報告されていますが、従来の太陽光モジュールが14%前後であることを考えると、まだまだ改善の余地があります。また、窓などに貼り付けるなどの特殊な加工や使用方法をした場合、2%〜3%程度になるという報告もあります。純粋な効率の改善と、用途の開発をどちらも並行しておこなっていかなければいけません。
インジウム不要のフレキシブルな有機薄膜太陽電池についてご紹介してきましたが、なぜそこまで新しい技術が求められるのでしょうか？実は、日本だからこそ開発を急がなければいけない理由があるのです。その理由を、２つご紹介します。
現在、電力の発電は化石燃料を用いた火力発電、原子力発電が世界的には主流です。日本は東北地震以降原発を止めているので、ほとんどの電力を火力発電に頼っています。一時期、原発をすべて止めてしまうと夏場の暑い時期に電力が足りなくなると言われていましたが、実際のところ昼間は冷房の温度を上げたり、時には止めたりすることで原発の電気を必要とせず生活できることが証明されました。
それでも、新しい発電方法が必要とされるのには理由があります。火力発電で使われる化石燃料は、すべて輸入に頼っています。機械や設備、パソコンからスマートフォンにいたるまで、私たちの生活に関わるあらゆるものが電気を元に動いています。そんな時に、化石燃料を輸入できなくなってしまったらどうなってしまうでしょうか？
実際、原発を止めてからほとんどの電気を火力発電に頼っていますが、化石燃料の輸入費用が大幅にあがりました。さらに、円安の進行もあり、日本の財政を圧迫しています。もし、電気を海外からの輸入に頼らなければ無駄な出費をする必要がなくなります。これが一つ目の理由です。
もう一つの理由は、化石燃料は永遠には続かないということです。化石燃料は、湯水のように永遠と湧き出るわけではなく、大昔に動物や植物などの死骸が蓄積し、信じられないような長い年月をかけて地圧や地熱で化石となったものです。つまり、増えるものではなく使えば使うほど減っていくものなのです。
そこで今、半永久的に使える再生可能エネルギーが注目されています。再生可能エネルギーとは、化石燃料のように有限ではなく、自然の力を利用して発電する方法です。風力発電、地熱発電、水力発電などがそれにあたり、太陽光発電もその一つとされています。いずれはなくなってしまうエネルギーの代わりとして、新しい電力が今後求められていきます。
太陽光発電はその中でも、一番実用性が高いものとされています。水力発電は、高いところから水を落とすことで発電をしますが、ダムの建設が必要です。現在の日本では、新しいダムを作ることはできないため、今後も使われることはないでしょう。風力発電についても、風が強い場所が必要であり、日本全土でできる発電方法ではありません。山が多い日本では、設置場所もかなり狭まってしまいます。
また、発電効率やメンテナンス費用などその他の課題もまだまだ解決しなければいけません。それに比べ太陽光発電は、一般家庭に普及し、新築の物件には必ずと言っていいほどつけられています。
前述したように現在の太陽光発電にはまだまだデメリットが多く、これから改善していく必要がありますが、開発が進んでいるので一番期待できる発電方法です。経済的にも、エネルギーの持続性においても化石燃料に置き換わる新しいエネルギーを確保することが日本にとっては急務です。そのため、太陽光発電の開発が急務なのです。
東大が開発したフレキシブルCNT有機薄膜太陽光電池には資源豊富な炭素素材の電極が用いられ、さらに、研究によって従来以上の高いエネルギー変換効率が実現しました。また、PETフィルムというフレキシブルな材料に転写できることから、応用範囲の広い太陽電池を製造することが可能になるでしょう。
そして、炭素自体が安価な材質であるため、太陽電池の製造コストを抑えることもできると期待されています。
有機系太陽電池の従来のデメリットを克服しながらも、低コストで太陽電池が製造できる…従来の太陽電池にはないこのような特徴は、画期的です。これからエネルギーの需給の問題、持続的に使えるエネルギーの確保は日本にとってはすぐに対応しなければいけない課題の一つです。化石燃料に置き換わるエネルギーの一つとして、太陽光発電からは目が離せません。
東大では、今後もエネルギー変換効率向上のための性能改善を進める予定であり、実用化すれば太陽光エネルギー活用の普及に弾みがつくのではないでしょうか。そうなれば、太陽光発電の重要性はより大きくなり、より普及していくでしょう。今後の東大同研究グループの研究活動に、注目が集まります。
2017/06/25
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