広島大学の研究成果

広島大学の研究チームが、次世代太陽電池の最大の課題である「高い製造コスト」に対して革新的な解決策を提示しました。従来、高性能な材料ほど製造工程が複雑になり、コストも高くなるのが一般的でしたが、今回の研究ではその前提を覆しています。

開発された新しい材料は、これまでの高性能材料と比べて約3分の1のコストで製造できるにもかかわらず、18%という高い発電効率を実現。さらに、65℃という高温環境下でも2,000時間以上性能をほとんど落とさずに維持するという、優れた耐久性も示しています。

製造コストを大幅に抑えながらも、性能や耐久性をしっかりと確保できたことは、次世代太陽電池の実用化を大きく前進させる成果といえるでしょう。

OPV（有機薄膜太陽電池）の基本

OPV（Organic Photovoltaics）は「有機薄膜太陽電池」と呼ばれる次世代型の太陽電池です。従来のシリコン太陽電池とは全く異なる材料と製造方法を使用しており、「有機半導体」という炭素を主成分とする材料から作られています。

最大の特徴は、発電層（アクティブ層）がおよそ数100ナノメートル（nm）と非常に薄く（人の髪の毛の約1000分の1程度）、透明性を保ちながら発電できることです。これにより、窓ガラスに設置しても室内に光を取り込むことができます。

製造面では、有機半導体が液体に溶けるため、印刷や塗布といった比較的簡単な方法で大量生産することが可能です。これは、製造行程で高温・真空環境が必要なシリコン太陽電池とは大きく異なる点といえるでしょう。

なぜOPVが重要なのか？

日本におけるカーボンニュートラルの実現には、太陽光発電の大幅な拡大が必要不可欠です。しかし、従来のシリコン太陽電池は重量があるため設置場所が限られ、また不透明なため窓や壁面への設置には適していませんでした。

OPVは、これまで太陽電池を設置できなかった場所での発電を可能にします。例えば、ビルの窓ガラス全面に透明なOPVを設置すれば、採光を確保しながら発電できるでしょう。また、軽量なため古い建物や耐荷重の低い屋根にも設置可能です。

建物一体型太陽電池（BIPV）として活用することで、建物自体が発電設備となり、都市部での再生可能エネルギー普及に大きく貢献することが期待されています。特に土地の制約が厳しい日本では、建物の表面を有効活用できるOPVの価値は極めて高いといえます。

OPVの現在の課題

OPVには大きな可能性がある一方で、実用化に向けていくつかの課題もありました。最も大きな課題は製造コストの高さです。高い発電効率を実現するための材料は化学構造が非常に複雑で、製造に多くの工程と特殊な設備が必要でした。

具体的には、マイナス数十度という極低温での化学反応や、「カラムクロマトグラフィー」という時間とコストのかかる精製作業が必要で、これらが材料費を大幅に押し上げていました。結果として、一部の高性能材料は従来の材料の10倍もの価格になってしまっていたのです。

また、有機材料特有の劣化しやすさも課題の一つでした。紫外線や酸素、水分による劣化が起こりやすく、屋外での長期使用に耐える安定性の確保が求められていました。

今回の広島大学の研究は、これらの課題のうち特に「製造コスト」の問題に画期的な解決策を提示したものといえます。

新材料「PTz3TE」の革新性

広島大学の研究チームが開発した新材料「PTz3TE」は、従来の高効率材料が抱えていた「高性能と低コストの両立」という難題を見事に解決しました。この材料の最大の特徴は、シンプルな化学構造でありながら高性能を実現している点にあります。

PTz3TEは「チアゾロチアゾール」という比較的小さく簡単な分子骨格を基本構造として採用しています。これは、従来の高性能材料が複数の大きな環状構造を組み合わせた複雑な構造を持っていたのとは対照的といえるでしょう。

研究チームは巧妙な分子設計により、この簡単な構造でも高効率発電に必要な性質を満たすことに成功しました。具体的には、広い波長の光を吸収する能力、適切な電気的性質、高い結晶性、そして十分な溶解性を同時に実現しています。

従来の1/3コストを実現した製造技術

PTz3TEがコスト削減を実現できた理由は、製造工程の抜本的な見直しにあります。従来の高性能材料は15回から20回以上の複雑な化学反応工程が必要でしたが、PTz3TEはわずか7回の工程で製造することができます。

さらに重要なのは、高コスト化の主要因だった特殊な製造条件を排除したことです。具体的には、マイナス数十度という極低温での反応と、「カラムクロマトグラフィー」という時間のかかる精製作業を一切使わずに製造できるようになりました。

これらの改良により、研究チームが開発した新しい評価指標「mSC（modified Synthetic Complexity）」に基づく計算では、PTz3TEの製造コストは従来のベンチマーク材料の約3分の1に削減されることが示されました。

低温反応とカラムクロマトグラフィーの問題

なぜこれらの製造工程がそれほど高コストだったのかを詳しく見てみましょう。

「低温反応」とは、マイナス数十度以下の極めて低い温度で行う化学反応のことです。高い反応性を示す化合物を安全に取り扱うために必要でしたが、液体窒素などの特殊な冷剤と専用設備が必要で、作業効率も大幅に低下していました。

「カラムクロマトグラフィー」は化合物を分離・精製するための技術ですが、大量の高価なシリカゲルと有機溶媒を使用し、熟練した技術者が長時間かけて作業する必要がありました。一つの化合物を精製するのに数時間から数日かかることも珍しくありませんでした。

実際の性能と耐久性

PTz3TEを使用したOPVセルは、最大18%という高いエネルギー変換効率を達成しました。これは従来のベンチマーク材料（19-20%）にほぼ匹敵する優れた性能といえます。つまり、性能をほとんど犠牲にすることなく、大幅なコスト削減を実現したのです。

耐久性についても優れた結果が得られています。PTz3TEを用いた太陽電池セルを65℃の高温環境で2,000時間以上保存したところ、ほとんど性能が低下しないことが確認されました。これは実用化に向けて極めて重要な特性です。

また、PTz3TEは薄い青色を呈するため、窓ガラスに設置した際の美観も良好です。透明性と発電性能のバランスが取れており、建物一体型太陽電池としての利用に適しています。

これらの結果から、PTz3TEは現在報告されているOPV用材料の中で最も「コストパフォーマンスの良い材料」であることが明らかになりました。

ペロブスカイト太陽電池との違い

次世代太陽電池としてOPVと並んで注目されているのが「ペロブスカイト太陽電池」です。どちらも塗布技術による低コスト製造が可能で、薄膜構造を持つという共通点がありますが、重要な違いもあります。

最も大きな違いは使用する材料です。OPVは炭素、硫黄、窒素などを含む有機半導体を発電層に用いますが、ペロブスカイト太陽電池は有機分子と無機材料を組み合わせたハイブリッド材料を用います。

性能面では、ペロブスカイト太陽電池の方が高い変換効率（研究レベルで25%超）を示しており、シリコン太陽電池に匹敵する性能を実現しています。一方、OPVは現在20%程度が最高レベルですが、透明性や柔軟性においてはペロブスカイトを上回る特性を持っています。

製造面では、両者とも印刷技術やコーティング技術による大量生産が可能で、従来のシリコン太陽電池よりも大幅な製造コスト削減が期待できます。

ペロブスカイトの鉛問題

ペロブスカイト太陽電池の深刻な課題は、発電層に鉛が含まれていることです。鉛は人体に有害で、特に子どもの神経発達に深刻な影響を与える可能性があることが知られています。

環境面でも、鉛が土壌や水系に流出すれば深刻な汚染を引き起こすリスクがあります。製造段階では厳密な管理が必要で、廃棄時の処理も複雑になります。また、ESG（環境・社会・企業統治）を重視する現在の投資環境では、鉛を使用する技術への資金調達も困難になっています。

現在、スズなどを使用した鉛フリーのペロブスカイト太陽電池の研究も進められていますが、鉛を使用したものと同等の効率を実現するのは困難で、実用的な代替材料の開発が大きな課題となっています。

これに対してOPVは、炭素を主成分とする有機半導体を発電層に用いるため、発電層に鉛を含むペロブスカイト系に比べて鉛由来の環境リスクは小さいと評価されています。環境適合性という点では、OPVの方が優位性を持つ場面があります。

OPVの応用分野と可能性

OPVの最大の魅力は、従来の太陽電池では実現できなかった幅広い応用分野での利用可能性にあります。その軽量性、柔軟性、透明性という特徴を活かした用途が次々と提案されています。

建物一体型太陽電池（BIPV）分野では、窓ガラスや外壁材への組み込みが最も注目されています。透明性の高いOPVを窓に設置することで、採光を確保しながら発電も行うことができます。また、軽量であるため、従来の太陽電池では耐荷重の問題で設置できなかった古い建物にも導入が可能です。

交通分野では、自動車の窓ガラスやボディパネルへの組み込みが検討されています。曲面にも対応できるOPVの特性を活かし、車両の形状に合わせた設置が可能で、電気自動車の補助電源としての利用も期待されています。

IoT・ウェアラブル分野では、センサーや小型電子機器の電源としての需要が高まっています。室内光でも発電できるOPVの特性を活かし、交換不要なバッテリーレス機器の実現が可能になります。

農業分野では、ビニールハウスの屋根材としての利用が実証されており、透明性を保ちながら発電することで、作物の成長に必要な光を確保しつつ、ハウス内の電力需要を賄うことができます。

実用化に向けた今後の展望

広島大学の研究成果のようなコスト削減技術の開発により、OPVの実用化は大きく前進しました。しかし、本格的な普及に向けてはまだいくつかの課題があります。

技術面では、変換効率のさらなる向上と長期耐久性の確保が重要な課題となっています。現在の効率15-20%をシリコン太陽電池レベルの20%以上まで引き上げ、屋外で10年以上安定して動作する技術の確立が求められています。

製造面では、環境負荷の少ない溶媒を使用する技術や、溶媒を使わない乾式プロセスの開発が進められています。これにより、より環境に優しい製造が可能になります。

市場面では、2030年代前半には一般消費者向けの製品が本格的に普及し始めると予想されています。最初は小型用途から始まり、徐々に住宅や商業建築物への組み込みが拡大していくと考えられます。

将来的には、建物の表面積を最大限活用した都市型発電システムの中核技術として、カーボンニュートラル社会の実現に大きく貢献することが期待されています。