プロジェクト・ヘーリオスのはじまり

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 【太陽電池世界一の技術力】

赤　鬼「ドイツの動きはわかったが、日本のレベルはど
　　　　うなんだ？」
亜幌論「2009年5月には、HIT太陽電池セルで世界最高の
　　　　変換効率23.0％を達成していて技術的にはトッ
　　　　プランナーだが、ドイツのように政府意志が希
　　　　薄で国内波及が遅い。普及を早めながら効率を
　　　　上げるという両面作戦が必要です」
赤　鬼「韓国は買取制度を導入しているから日本は中国
　　　　などを含め普及率ではベスト３から陥落するの
　　　　も時間の問題や」
舳離雄「現場研究者の名誉ためにいっておきますが、23
　　　　％は少し前では考えられないことでした。とは
　　　　いえ、モジュール変換効率を23％に持って行く
　　　　にはセルレベルで27％の変換効率が必要です」



※HITは‘Heterojunction with Intrinsic Thin layer’の略。HIT
太陽電池は、三洋電機が開発した独自構造の太陽電池セ
ルで、結晶シリコン基板とアモルファスシリコン薄膜を
用いて形成したハイブリッド型。高変換効率・温度特性
等の優位性により、設置面積当たりの発電量世界No.1を
誇る。

秋海棠「これはシリコン系ですよね。つまり無機物系で
　　　　すよね。有機物系というのはないのですか」
舳離雄「色素と酸化金属と有機溶媒を使い電気化学の原
　　　　理で発電する色素増感型太陽電池は複合系にな
　　　　りますが、それだとセルで12％の効率が出てい
　　　　ます。東京大学と三菱化学の共同開発で9.2％
　　　　の世界一の変換効率がセルレベル出ています。
　　　　ここ１、２年で飛躍的に変換効率が上がってき
　　　　ています」

亜幌論「これらは、次世代太陽電池と呼ばれ、原料に炭
　　　　素や窒素を使い、厚さは数百ナノメートル。イ
　　　　ンクジェット方式で自動車などの曲面印刷も可
　　　　能で、シリコン系の1/10程度のコストで生産で
　　　　きるといわれているがどうなんだろう」
舳離雄「半導体デバイスローコストで製造するだけでな
　　　　く変換効率にも気配りしなければなりませんが
　　　　ｐ型半導体とｎ型半導体とを順番に塗布しつく
　　　　っていては高効率のもの得られません。つまり、
　　　　下図（右）の次世代型のように接触面積を広く
　　　　した構造にする必要があるのです」
赤　鬼「へぇ～、作りにくそうな形状やないか」

 

舳離雄「そこで考えたのが、直接２種類の半導体フィル
　　　　ムを貼り合わせるのではなく介在フィルをいれ
　　　　て貼り合わせるのです。簡単な例えで言えば両
　　　　面テープの離型フィルムでこのフィルムを取り
　　　　除き２種類半導体フィルム貼り合わせるのです
　　　　が。この時、無色個体のアダマンタンを使いま
　　　　す。

　　　
　　　　　　　　　　　Ａ＋Ｃ→Ａ＋Ｂ

　　　　　　　　　　　

　　　　具体的には、化合物Ａと化合物Ｃを含む層の成
　　　　膜、クロロホルム／モノクロロベンゼンの1：1
　　　　混合溶媒に、下図のSIMEF化合物を0.6％、アダ
        マンタンを1.4％溶解した液を調製し、ろ過した
　　　　ろ液を２層目の正孔取り出し層上に1500rpmでス
　　　　ピンコートし、グローブボックス中180℃で20分
        間加熱し、加熱によりSIMEF化合物をテトラベ
　　　　ンゾポルフィリンへ変換します。テトラベンゾ
　　　　ポルフィリンはｐ型半導体材料の化合物Ａで、
　　　　アダマンタンは半導体材料ではない化合物Ｃで
　　　　す。

　　　　　　次に、化合物Ｂによる化合物Ｃの置換ですが、
　　　　トルエンにSIMEF化合物のフラーレン誘導体を
　　　　1.2％溶解した液を調整し、3000rpmで化合物Ａ
　　　　と化合物Ｃとを含む層上にスピンコートし、65
　　　　℃で10分間加熱処理を施します。SIMEF化合物
　　　　フラーレン誘導体はｎ型半導体材料です。こう
　　　　することで、化合物Ｃ（アダマンタン）を化合
　　　　物Ｂ（フラーレン誘導体）で置換して、化合物
　　　　Ａと化合物Ｂとを含む層を形成するというもの
　　　　です。勿論、電子の移動速度は10^-4cm²/V・s以
　　　　上という大前提をクリアしていますが」
亜幌論「それじゃ、Ａ＋Ｃ→Ａ＋Ｂの式からＣ＝Ｂでな
　　　　くて、ＣがＢに化ける過程があり、一種の化学
　　　　的バインダー（介在物）という‘錬金術’を使
　　　　っているだ」
舳離雄「そうですが、簡単そうですが、有機化学合成に
　　　　精通していなければそれは考えられなかったの
　　　　ではないかと思います。ナノ領域の世界ですが
　　　　難しい技術を使わなくても、柔軟な発想で考え
　　　　れば‘効率×コスト逓減’という課題がブレー
　　　　クできるという好例ではないでしょうか。これ
　　　　で一気に量産化できる見通しがついた判断し、
　　　　公開に踏み切ったものと思います」

 

※「半導体デバイスの製造方法及び太陽電池 」

秋海棠「良いことづくめのようですが、弱点はないので
　　　　すか？」
舳離雄「シリコン系の耐用年数は20年以上と言われる段
　　　　階ですが、有機化合物系は‘ターンオーバー’
　　　　という限界を抱えています。実際、色素増感型
　　　　太陽電池は、色素のターンオーバー数は千三百
　　　　万回だという数値もみられます」
亜幌論「ターンオーバーとは２つの意味で使われる。１
　　　　つは生物学におけるターンオーバー（metabolic
　　　　　　turnover：代謝回転）。生物を構成している細胞
　　　　や組織 (生物学)が生体分子を合成し、一方で
　　　　分解していくことで、新旧の分子が入れ替わり
　　　　つつバランスを保つ動的平衡状態のこと。この
　　　　結果、古い細胞や組織自体が新しく入れ替わる
　　　　が、生物種や細胞・組織の種類、分子種によっ
　　　　て、ターンオーバー速度には大きな差異がある。
　　　　２つめは、合成化学の触媒反応において、一分
　　　　子の触媒がどれだけ反応生成物を作り出せるか
　　　　を表す指標で、（生成物のモル数）／（触媒の
　　　　モル数）で表す。それにしても４年前より３倍
　　　　の変換効率ですから凄いことだね」
赤　鬼「回転数ってか、水商売の時間当たりの顧客数÷
　　　　席数と同じで、家内安全・商売繁盛！」

と言いつつ赤鬼は真っ赤な顔をして上機嫌で『金亀』を
豪快に飲み干した。


※「太陽光を利用したクリーンエネルギー生成(H19年)」 
※「有機薄膜太陽電池を高効率化するには」