東京大学(東大)は、半透明ながらも約10% の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と発表した。同開発品は、窓ガラスなどへの利用が期待されるという。
同成果は、東大 生産技術研究所のキム・ギュミン大学院生(当時)と立間徹 教授によるもの。詳細は、英国科学誌「Scientific Reports」(オンライン版)に掲載された。
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半透明ペロブスカイト太陽電池の写真と構造 (出所:東京大学Webサイト)
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。
研究グループは今回、人間の「青色光(短波長光)や、赤色光(長波長光)にはそれほど敏感ではない」という視覚の特性を利用し、エネルギー変換効率の低下を抑えつつ太陽電池の半透明化を実現した。
具体的には、波長が短い光ほど効率よく吸収して電気に変換できるペロブスカイト層、および波長の長い赤色光に対する変換効率を高めるプラズモン共鳴という現象を利用。金や銀などのナノ粒子は、プラズモン共鳴により、特定の波長の光を吸収する。この金属ナノ粒子は光を吸収し、そのエネルギーを近くの物質に渡す「アンテナ効果」という性質を持つ。また、研究グループは、銀ナノキューブが強いアンテナ効果を持ち、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」をもつことを発見していた。
以上のアンテナ効果・電極カップリング効果の2つ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ぺロブスカイト層にわたし、長波長での変換効率を高めることに成功した。
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同研究で開発した半透明ペロブスカイト太陽電池のコンセプト図。人間の視覚が認識しづらい短波長光(図の左側)はペロブスカイトで効率よく吸収し、長波長光(図の右側)はプラズモンのアンテナ効果で吸収を補助する (出所:東京大学Webサイト)
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10nmにすることで半透明にし、ペロブスカイト層の厚さも通常より薄い180nmにすることで、透明度を高めた。さらにこのとき、銀ナノキューブを導入し、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。その結果、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、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いう。
