東大,半透明ペロブスカイト太陽電池の透明度を向上

東京大学は,半透明ながらも約10%という高いエネルギー変換効率を示すペロブスカイト太陽電池の開発に成功した(ニュースリリース)。窓ガラスなどへの利用が期待される。

ペロブスカイト太陽電池の中心には光を吸収してプラスとマイナスの電荷を生じるペロブスカイト層があり,それが,プラスの電荷(ホール)を取り出すホール輸送層と,マイナスの電荷(電子)を取り出す電子輸送層で挟まれ,さらに2つの電極(少なくとも一方は光を通す透明電極)で挟まれている。

従来の半透明ペロブスカイト太陽電池は,不透明な金属電極を薄くして半透明化することに加え,ペロブスカイト層を薄くしたり,不連続な島状にしたりすることで光吸収を減らしていた。そのため,ペロブスカイト層を減らした分だけ効率も低下していた。

研究グループは,人間の視覚の特性を利用することで,効率の低下を抑えつつ半透明化を実現した。人間の視覚は,中程度の波長である黄色や緑の光には敏感だが,波長の短い青色光や,波長の長い赤色光にはそれほど敏感ではない。一方,ペロブスカイト層は波長が短い光ほど効率よく吸収して電気に変換でき,波長の長い光ほど吸収しにくくなる。

波長の長い赤色光に対する変換効率を高めるために,プラズモン共鳴を利用した。研究グループでは,銀ナノキューブ(サイコロ状の銀ナノ粒子)が強いアンテナ効果を持つことと,銀ナノキューブと電極を近づけることで,吸収する波長を自在に変えられる「電極カップリング効果」をすでに見つけていた。

これら2つの効果を組み合わせることで,人間の視覚では捉えにくい赤い光のエネルギーをペロブスカイト層に渡し,長波長での変換効率を高めた。

まず,通常のペロブスカイト太陽電池が持つ,不透明な銀電極の厚さを光の波長よりも1桁以上薄い10㎚にすることで半透明にした。さらに,ペロブスカイト層の厚さも通常より薄い180㎚にすることで,透明度を高めた。

このとき,銀ナノキューブ(一辺の長さ約70㎚)を導入し,電極カップリング効果によってその吸収域を赤色光付近に合わせることで,ペロブスカイト層を薄くしたことによる損失を抑え,エネルギー変換効率を9.7%に保った。人間の視覚感度も考慮した「視覚透明度指標」は,ペロブスカイト層を薄くする前と比べて28%上昇した。

こうした半透明太陽電池は,住宅やオフィスビルなどの窓ガラス,サンルームやカーポートの半透明屋根,自動車やバスのスモークガラスやサンルーフなどへの応用が期待されるとしている。

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