革新的な洗濯可能で伸縮性のある太陽電池が効率 8% を達成

• 科学者たちは、洗って長さの半分まで伸ばすことができる新しい有機超薄型太陽電池を開発しました。 
• 空気中と水中で非常に安定しており、太陽光を 8% の効率で電気エネルギーに変換します。 
• 数社がこのテクノロジーの商業化に関心を示しています。 

ソーラーパネルの開発というと素晴らしいように聞こえますが、洗える柔軟な太陽電池はさらに素晴らしいと思います。東京の理化学研究所の科学者たちは、20 回の模擬洗濯サイクルに耐え、長さの半分まで伸ばすことができる新しい有機超薄型セルを開発しました。

これは、空気中および水中での伸縮性と安定性を維持しながら、より高いエネルギー効率を実現できる世界初の太陽電池です。

これらのセルは、繊維製品、ネットワーク デバイス、外出先でのモバイル デバイスの充電、個人の健康モニターへの電力供給などに使用できる可能性があります。技術的には可能性は無限大です。科学者たちがこれらの細胞を正確にどのように構築したのか、そしてそれらがどのような機能を備えているのかを見てみましょう。

新しい太陽電池の構造

理化学研究所創発物性科学研究センター (CEMS) の科学者チームは、太陽電池の薄い有機活性層である有機光起電力 (OPV) を開発しました。太陽からの光を 8% の効率で電気エネルギーに変換し、空気中でも水中でも非常に安定しています。

より厚い有機層を使用すると、最大変換率 10% を達成できますが、厚さが約 1 マイクロメートルの OPV の場合、8% という変換率は驚異的です。また、有機素材は非常に薄いため、潰すことなく曲げることができます。

数か月前、太陽電池の作成に同じ層が使用されましたが、十分な伸縮性がありませんでした。この問題は後に、外側に伸びたゴムのようなエラストマーシートを（サンドイッチ構造のように）組み込むことで解決されました。これにより、太陽電池は山と谷のあるアコーディオンのような構造に折りたたむことができました。

このエラストマーシートはセルに伸縮性を与えるだけでなく、ある程度の防水性も備えているため、太陽電池は水中で 1 時間 40 分間、20 サイクルの機械的圧縮に耐えることができます。 20 回の洗浄サイクル後、セルの効率は 20% しか低下しませんでした。

洗浄して伸ばす有機太陽電池

より具体的には、この研究は、高い効率（7.9%）と伸縮性（52%）を維持した洗えるポリマー太陽電池を示しています。合計厚さ 3 マイクロメートルの機械的に安定した超柔軟な OPV は、安定した活性層と反転アーキテクチャを組み合わせて開発されており、最大 7.9% の電力変換効率を実現し、大気環境下で安定した電力変換効率 (1 か月後の初期効率の 54%) と 41% の伸縮性を示します。

参考:自然 | 土井:10.1038/s41560-017-0001-3 | 理化学研究所の研究

自立型 OPV を水に 2 時間浸漬した場合、効率は 20.8% 低下しました。柔軟な OPV を 2 つのエラストマーの間に挟むと、減少は 5.4% に大幅に抑制されました。

自立型 OPV の構造

アプリケーション

これらの太陽電池は、体温、心拍数、血圧、皮膚電気活動を測定するセンサーなどの電子デバイスに電力を供給するために使用できます。センサーを埋め込んだ繊維製品も数多くあります。これらのテクノロジーをこの新しいタイプの太陽電池と組み合わせることで、いくつかのスマート センサー衣類システムを開発できる可能性があります。

遠い将来、より高い電圧が実現できれば、衣類内のこれらのセルをスマートフォンやタブレットなどの携帯用機器の充電に使用できるようになり、いつの日か家庭の電力需要を満たすことができるようになるかもしれません。 太陽電池を軽量で薄いバッテリーと統合できれば、その効率はさらに向上する可能性があります。

実際のアプリケーションはおそらく 3 ～ 5 年先になるでしょう。実際、数社がこのテクノロジーの商品化に興味を示しています。

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しかし、商業化の 2 つの大きな障害は、太陽電池のサイズとコストです。今のところ、サイズは 10*10 cm に制限されており、製造コストが非常に高くなります。しかし、これは主にアクティブ層のコストによるものです。シートの塗膜は驚くほど薄く、結果的にコストダウンにつながります。したがって、市場の大手企業がそれを商業化することに決めれば、活性層の材料を大量生産してコストを削減する新しい技術を構築できる可能性があります。