極薄有機太陽電池は建物を発電機に変える可能性がある

2021年11月、ドイツのマールブルク市の公共事業会社が貯湯施設の定期メンテナンスを行っている間、エンジニアたちは高さ10メートルの円筒形のメインタンクの外側に18枚のソーラーパネルを接着した。 これは、ソーラーパネルの典型的な家ではなく、そのほとんどは屋根の上やソーラーパークに並べられた平らで硬いシリコンとガラスの長方形です。 対照的に、マールブルク施設のパネルは、ドイツの太陽光発電会社Heliatekが製造した極薄有機フィルムだ。 過去数年間、Heliatek はその柔軟なパネルをオフィスタワーの側面、バス停の湾曲した屋根、さらには高さ 80 メートルの風車の円筒シャフトにまで取り付けてきました。 目標は、平地を超えて太陽光発電の到達範囲を拡大することです。 「従来の太陽光発電が機能しない巨大な市場が存在します」と、Heliatek の最高技術責任者である Jan Birnstock 氏は言います。

Heliatek のような有機太陽光発電 (OPV) はシリコン パネルより 10 倍以上軽く、場合によっては製造コストが半分しかかかりません。 透明なものもあり、建築家はソーラーパネルを屋上だけでなく、建物のファサード、窓、さらには屋内空間に組み込むことを構想している。 「私たちはあらゆる建物を発電用の建物に変えたいと考えています」とバーンストック氏は言う。

Heliatek のパネルは実用化されている数少ない OPV の 1 つであり、太陽光のエネルギーの約 9% を電気に変換します。 しかし近年、世界中の研究者が新しい材料と設計を考案し、研究室で作られた小さなプロトタイプでは効率が 20% 近くに達し、シリコンや代替の無機薄膜太陽電池（例えば、太陽電池で作られた太陽電池）に近づいています。銅、インジウム、ガリウム、セレンの混合物 (CIGS)。 シリコン結晶や CIGS では、研究者は自然が与えるいくつかの化学的選択肢にほとんど制限されていますが、OPV では結合を微調整したり、原子を再配列したり、周期表全体の元素を混合したりすることができます。 これらの変化は、太陽光を吸収し、電荷を伝導し、劣化に抵抗する材料の能力を向上させるために化学者が調整できる調整値を表しています。 OPV は依然としてこれらの対策に達していません。 しかし、「探究の余地は膨大にある」とミシガン大学アナーバー校の OPV 化学者スティーブン・フォレスト氏は言う。

研究室で作られた OPV が有望に見えても、それをスケールしてフルサイズのパネルを作成することは依然として課題ですが、可能性は非常に大きいです。 国立再生可能エネルギー研究所の OPV 専門家、Bryon Larson 氏は、「OPV 分野では現在、非常にエキサイティングな時期にあります。なぜなら、この分野は性能、安定性、コストにおいて大きな飛躍を遂げているからです」と述べています。

従来の太陽光発電（主にシリコンをベース）はすでにグリーン エネルギーとして成功を収めており、地球上の全電力の約 3% を供給しています。 これは送電網に追加される最大の新たな電力源であり、年間 200 ギガワット以上が供給され、1 億 5,000 万世帯に電力を供給するのに十分です。 数十年にわたるエンジニアリングの改善とグローバルなサプライチェーンに支えられ、その価格は下がり続けています。

しかし、太陽光やその他のグリーンエネルギー源は、需要の増大に応え、壊滅的な気候変動を防ぐのに十分なほど急速に成長していません。 世界経済の発展、人口増加、そして世界の乗用車やトラックの多くが石油から電力に移行すると予想されている間に、世界の電力需要は 2050 年までに 2 倍になると予想されています。国際エネルギー機関の最新の推計によると、 2050年までに世界の炭素排出実質ゼロを達成するには、各国は現在の4倍のペースで再生可能エネルギーを導入する必要があり、これを当局は「手強い」課題と呼んでいる。 世界は、新しい再生可能電力源を迅速に必要としています。

OPV支持者は、ほとんどの用途においてこの技術が従来のシリコンパネルに取って代わるとは考えていない。 むしろ、これが新たな用途の波をもたらし、最終的にはシリコンパネルが機能しない場所に太陽光発電を設置するのに役立つと彼らは考えている。 この分野は、イーストマン コダック カンパニーのプラスチック フィルムの専門家が最初の OPV を製造した 1986 年に始まりましたが、太陽光のエネルギーを電気に変換する効率はわずか 1% でした。 しかし、2000 年代初頭までに、化学物質の調整により OPV 効率は約 5% まで上昇し、いくつかの企業が商業化を試みるには十分でした。 彼らの希望は、新聞印刷機などのロールツーロール機でパネルを印刷することで、欠点にもかかわらず十分に安価な装置を提供できるようになるということでした。 しかし、効率の悪さと容赦ない太陽光の下での劣化により、初期のモデルは運命にありました。 「興奮はありましたが、少し早すぎました」とラーソンは言う。

当時も現在も、OPV 効率を上げることの難しさの 1 つは、シリコンなどの無機材料で作られたセルとは動作が異なることです。 すべての太陽電池はサンドイッチ状のデバイスで、中央に半導体があり、光子を吸収してそのエネルギーを電荷に変換し、その電荷が上下に積層された金属電極に移動します。 太陽光がシリコンセルに当たると、追加されたエネルギーによって電子が個々のシリコン原子の周りの軌道から追い出され、材料中を自由に流れることができます。 励起された各電子は、正電荷を運ぶ「正孔」としても知られる電子空孔を残します。 正電荷は負に帯電した電極 (カソード) に流れ、電子は正に帯電した電極 (アノード) に流れ、電流が発生します。

対照的に、有機半導体の分子は電荷をよりしっかりと保持する傾向があります。 OPV が太陽光を吸収すると、電子を原子軌道から追い出すのに十分なエネルギーが発生しますが、正と負の電荷が分裂して別々の方向に移動するには十分ではありません。 むしろ、これらの反対の電荷は互いにくっつき、励起子として知られるものを生成します。 電気を生成するには、励起子がそれぞれの電極に移動できる正電荷と負電荷に分離される必要があります。

分離の瞬間は、励起子が移動し、ドナー材料とアクセプター材料と呼ばれる 2 つの半導体コンポーネント間の界面に遭遇するときに起こります。 アクセプタは電子を引きつけ、ドナーは正孔を引きつけ、励起子を引き離します。 これは迅速に行われる必要があります。励起された電子と正孔が界面に到達する前にたまたま結合すると、元の励起の衝撃が熱として放出され、無駄になることがよくあります。

OPVの研究者は何十年にもわたって、改良されたドナーとアクセプターを考案することでデバイスの性能を向上させようと努めてきました。 2000 年代半ばまでの研究では、主にフラーレンと呼ばれるサッカー ボールの形をした炭素化合物を材料に組み込むことにより、効率が 5% を超えました。 フラーレンは電子を求めるため、強力なアクセプターとなります。 次の 10 年間、行動は寄付者に移りました。 2012 年までに、ドナーとして使用される一連の新しい半導体ポリマーにより、効率が 12% にまで向上しました。

その後、フィールドは二重の打撃を受けました。 まず、研究者が次の画期的な材料を見つけるのに苦労したため、進歩は頭打ちになりました。 その後、ペロブスカイトと呼ばれるライバルの薄膜太陽電池技術が登場しました。 ペロブスカイトは、有機化合物と無機化合物の混合物であり、安価に製造でき、加工が容易で、太陽光を捉えて電気に変換するのに優れています。 OPVの進歩が停滞する一方、ペロブスカイトの効率は2012年の約6.5%から2020年には約24%に急上昇した。「ペロブスカイトはOPVの世界に落とされたダイナマイトの棒だった」とラーソン氏は言う。 資金提供機関はOPVを救済し、研究者たちは注目の新興企業に群がった。 ドレスデン工科大学の OPV 研究者であるカール・レオ氏は、「ペロブスカイトは、ただ参加する必要があった時流のようなものでした」と語る。

現在もペロブスカイトは熱いままです。 しかし、長期的な安定性を伴う課題と有毒元素への依存により、熱意がいくらか失われています。 一方、OPV はすぐに独自の革新性を爆発的に発揮しました。

2015年、北京大学の材料科学者Xiaowei Zhan率いる研究者らは、新しいクラスの非フラーレンアクセプター（NFA）の最初のものを報告した。 フラーレンは電子を捕らえて輸送するのには優れていましたが、太陽光の吸収は苦手でした。 分子レベルでは、ITICと名付けられたZhanの新しい化合物は、追加のリングを備えたオリンピックのシンボルのように見え、最初に赤色光と赤外光を吸収し、次に励起子が分裂すると電子を輸送するという両方の役割をうまく果たしました。

Zhan 氏の最初の NFA デバイスの効率はわずか約 7% でした。 しかし、世界中の化学者はすぐに ITIC の構造を微調整し始め、改良版を作成しました。 2016 年までに、新しい NFA により OPV 効率が 11.5% に達しました。 2018 年には 16% に達しました。 そして記録は次々と生まれます。 昨年、ラーソンと彼の同僚は、複数のドナー、NFA、およびフラーレンを単一の層に組み合わせることで、励起子がより長く生存できるようにし、電極に穴をより速く飛ばすことができる材料を作成したことをNature Communicationsで報告しました。効率は最大 18.4% です。 そして8月、杭州師範大学のZhan Linglingらは、Advanced Energy Materials誌で、同様の多成分戦略に基づくOPVが19.3%の効率を達成したと報告した。 「進歩は本当に目覚ましいものでした」とアリゾナ大学のOPV専門家ジャンリュック・ブレダスは言う。 「まもなく20％に達するだろう。」

そうすれば、OPVセルはCIGSやシリコンのライバルより数パーセント以内に入るだろう。 それでも、OPVが近いうちにシリコンと真っ向から競合すると考える市場関係者はほとんどいない。 シリコン太陽電池はすでに年間 850 億ドルの市場を占めており、30 年の実績と実証済みの耐久性を備えています。

対照的に、OPV は依然としてニッチな製品です。 Heliatek デバイスなどの安価な OPV は効率が低いために妨げられており、より効率的なものはまだ実験段階であり、高価です。 したがって、現時点では、OPVメーカーにとって、シリコンが適さない新しい市場をターゲットにすることが最善である、とフォレスト氏は言う。 「シリコンと競争しているなら、家に帰りなさい。すでに負けているのです」と彼は言う。

急速に成長している用途の 1 つは、エネルギーを生成するフィルムを建物の側面に貼り付けることです。 CIGS やその他の無機薄膜も同様に使用できます。 しかし、ヘリアテックのパネルの需要は非常に旺盛で、同社は昨年販売を始めたばかりであるにもかかわらず、すでに年間200万平方メートル（m2）を生産できる工場を建設しており、これは約200メガワットの電力を供給するのに十分である。 一方、Epishine というスウェーデンの企業は、屋内で動作し、温度センサーから自動照明制御まであらゆる用途で使い捨て電池を置き換えることができる OPV を販売しています。 独自の高速生産ラインを構築しています。 米国の新興企業ユビキタス・エナジーとネクスト・エナジーは、CIGSや他の不透明な薄膜では不可能な可視光の通過を可能にしながら、主に赤外線光子を捕捉するエネルギー生成OPV窓を開発している。 また、米国海軍研究局 (ONR) は、移動中の兵士のテント、バックパック、その他の装備用の発電布地として OPV を使用することに注目しています。 ONRでOPV資金調達を監督するポール・アーミステッド氏は、「我々は前線に持ち運べるものが欲しい」と語る。

しかし、OPV が重要なグリーン エネルギー源になるためには、効率と耐久性の面でライバルと競争する必要があり、それには新素材だけでなく、製造の技術も必要です。 現在、最も効率的なデバイスは、研究室に切手サイズのプロトタイプとしてのみ存在します。 理論的には、1 平方センチメートルのセルから 1 平方メートルのパネルまで生産をスケールアップするのは簡単です。 ポリマーや NFA などの有機物は溶媒に溶解し、広い面積に機械でコーティングできます。 しかし、サンドイッチ状デバイスの各層は完全に滑らかで、移動する電荷を捕捉して全体の効率を低下させる可能性がある欠陥がほとんどまたはまったくない必要があります。 「適切な効率を得るには、すべてが適切に機能する必要があります」とアーミステッド氏は言います。

さらに難しいのは、ドナーとアクセプターを含むサンドイッチの中心層の構成を制御することです。 この材料の組み合わせは、最初はドナー、アクセプター、場合によっては他の添加剤、および溶媒がすべて混合された液体として配置されます。 溶媒が蒸発すると、ドナーとアクセプターが分離し、絡み合う 2 つの連続ネットワークが形成されます。 その結果、ドナー領域とアクセプター領域の間の界面に大きな表面積が生じ、電荷が分離されます。 また、連続ネットワークにより、逆の電荷がそれぞれの経路に沿って電極に流れることが可能になり、電子はアクセプターのネットワークを通過し、正孔はドナーを通って移動します。

スタンフォード大学の化学者、ジェナン・バオ氏によると、光子が材料に衝突したときに生成される励起子は、電荷が再結合して発電の機会が失われる前に約20ナノメートルしか移動できないため、ドナーとアクセプターの絡み合ったリボンは極めて薄くなければならないという。 「形態を正しく把握する必要があります」とアーミステッド氏は言う。 これを大規模に確実に行うことは依然として課題です。

彼と他の人々は、武漢大学の OPV 専門家である Jie Min 氏とその同僚が Nature Energy 誌に 10 月 27 日に発表した研究に励まされています。 Min氏のチームは、ブレードコーティングと呼ばれる高速で薄膜を製造するための一般的なアプローチを開発した。 ドナーとアクセプターを混合し、移動するフィルム全体に液体を広げ、長いスキージのようなもので平らにする従来のアプローチでは、このようなフィルムを毎分約2メートルで製造できます。 しかし、研究者らは、層を次々に別々にスキージすることにより、最大毎分 30 m の速度でドナーとアクセプターのより優れたネットワークを構築しました。 得られたセルの効率は最大 18% 近くになりました。 Min氏のチームはまた、製造速度の高速化によりOPVのコストが10倍以上下がり、キロワット時（kWh）あたりの価格がシリコンと競争力を持つようになる可能性があると計算している。

有機太陽光発電が太陽光を電気に変える効率が20年にわたって向上したのは、最初はフラーレンと呼ばれる分子とフィルムの構造の変化によって促進され、次に正電荷と負電荷を分離するためのより優れた「ドナー」材料と「アクセプター」材料によって促進された。

ただし、まだ分からないのは、そのようなセルが高効率に必要な内部構造を数十年にわたって保持するかどうかです。 「記録を破った細胞の中には、時間の経過とともに形態が変化し、性能が維持できないものもあります」とアーミステッド氏は言う。 NFA は、材料中を容易に移動できる小さな分子で構成されているため、特に影響を受けやすいです。

NFAを所定の位置に保持するために長いポリマーに織り込まれたアクセプターで置き換えることが役立つ可能性があります。 「彼らには非常に頑強になる可能性がある」とアーミステッド氏は言う。 ここでも行進は進んでいる。 Advanced Materials の 8 月 18 日号で、香港大学の材料科学者 Alex Jen 率いる研究者らは、効率が 17% であり、加速劣化試験でも効率が 90% 維持された全ポリマー太陽電池を報告しました。 「これは非常に注目に値します」とバオ氏は言う。彼のチームは全ポリマー電池にも取り組んでいる。

しかし、安定性と高効率だけではまだ十分ではありません。 太陽電池が市場に投入されるためには、数十年間にわたって信頼性があることが証明される必要もあります。 「これは 3 本脚のスツールで、3 本の脚すべてを揃える必要があります」とフォレスト氏は言います。 太陽光に含まれる紫外線（UV）に強くさらされると、ビーチで一日中肌が焼けるように、太陽電池内の有機物が劣化する可能性があります。

Nature Communications誌の2021年9月14日号で、フォレストらは、自社のOPVに紫外線を吸収する酸化亜鉛の薄層（一部の日焼け止めに使われているのと同じ材料）を追加したところ、加速劣化試験で寿命が30年まで延びたと報告した。 「これは太陽電池用の日焼け止めです」とフォレスト氏は言う。 フォレストのチームの一員ではなかったラーソンは、それを「大きな成果」と呼んだ。

ある点では、OPV は、二酸化炭素排出量が驚くほど低いという、他のほぼすべてのエネルギー生成技術に対してすでに明らかな利点を持っています。 ドイツの試験機関テュフ ラインランドは、Heliatek のパネルを評価する際に、同社のパネルが生成する電力 1 kWh ごとに、パネルの製造、稼働、そして最終的な廃棄の際に最大 15 グラム (g) の二酸化炭素 (CO2) が排出されると認定しました。 これと比較すると、シリコンパネルでは CO2/kWh が 49 g、石炭の採掘と燃焼では CO2/kWh がなんと 1008 g になります。 たとえ効率が低くても、Heliatek のパネルは、その寿命にわたって製造および処理に必要なエネルギーの 100 倍以上を生成します。

OPV の効率が新記録を樹立し続け、寿命が延び、生産方法が進歩するにつれて、OPV の二酸化炭素排出量はさらに削減されることは確実です。 こうした傾向は、太陽光発電が屋根や砂漠の低木地だけでなく、高層ビルの湾曲したファサードに沿って、世界中の窓、そして人々が少しでもエネルギーを求めているあらゆる場所に広がる世界への希望を高めています。 そうすれば、気候変動への取り組みの見通しが少しだけ明るくなるかもしれない。