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信州大学 工学部 電子情報システム工学科 橋本 佳男 教授

青い光を狙え! 高効率の太陽電池をつくる

青い光を狙え! 高効率の太陽電池をつくる

信州大学 
工学部 電子情報システム工学科

橋本 佳男 教授

30分のミニ講義を聴講しよう!新しい膜やカーボンが太陽電池を進化させる

効率のよい太陽電池の開発研究を紹介します。現在発電には使われていない青い光も活用するため、新しい化合物膜が開発されています。薄いカーボンなどと組み合わせると安価で高効率な新しい太陽電池の基礎ができます。その構造を最新の機器で見てみましょう。

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先生からのメッセージ

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太陽電池の研究は、電気の知識などの物理学、半導体などの電子工学や物質を作る化学の知識を総合してできるものです。基礎的な研究が、エネルギー問題を解決する新しい物を作りだし、そういった物を作る喜びを体験できる分野です。現在はより安く高性能な新しいものを作るという目標で研究していますが、その中から新しい技術が生まれて、エネルギーも節約できるようになるのはもちろん、場合によっては世の中では想像し得なかったようなものが新しい太陽電池になったりといった展開もあります。

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エネルギー効率の面では分が悪い 太陽電池は光からエネルギーを取り出す発電装置で、現在、一般的なビルや家屋に設置されているものであればパネル1枚(1m四方程度)で晴天時を考えると、光のエネルギー1kWを受けて150Wから180 Wの電力を作れます。つまりエネルギー効率は15~18%です。低効率とされるガソリンエンジンでさえエネルギー効率が30数%ですから、太陽電池のエネルギー効率はあまり高いとは言えず、発電効率の点から考えると、太陽電池は分が悪いと言えます。 どの光を狙うかが勝負の分かれ目 実は太陽電池の種類により発電に利用できる「光」は異なります。太陽の光はさまざまな波長が混じり合っていて、「赤い光」ほど量が多いもののエネルギーは小さく、「青い光」ほど量は少ないのですがエネルギーは大きくなります。なお、赤外線はエネルギーが小さすぎて発電に向かず、紫外線は量が少なく発電に使うことができません。
太陽電池は少なくとも2層の構造を作り、その間で電気を生み出します。現在、一般的に利用されているものは2層ともシリコンで作られた、どちらかといえば赤い光を狙った太陽電池です。実用性を踏まえた上で優れた太陽電池を作るには、シリコンより低コストの物質で15~18%に近いエネルギー効率のものを作るか、多少のコストがかかっても18%を超えるかです。エネルギー効率を上げるには、より青い光を狙った太陽電池を組み合わせることが近道です。
既存の太陽電池を超えるには 青い光からエネルギーを取り出せる物質は少ないのですが、近年は「ペロブスカイト」という物質が注目され、単にシリコンと組み合わせるだけでも25%前後の効率が見込めるでしょう。ただし、ペロブスカイトは鉛系の化合物のため扱いが難しく、用途も限られます。そのため比較的低コストな物質である銅や錫(すず)、亜鉛をベースにした化合物をグラフェンなどの炭素系材料と組み合わせて、同様のものを作る道も模索されています。

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太陽電池の研究は、電気の知識などの物理学、半導体などの電子工学や物質を作る化学の知識を総合してできるものです。基礎的な研究が、エネルギー問題を解決する新しい物を作りだし、そういった物を作る喜びを体験できる分野です。現在はより安く高性能な新しいものを作るという目標で研究していますが、その中から新しい技術が生まれて、エネルギーも節約できるようになるのはもちろん、場合によっては世の中では想像し得なかったようなものが新しい太陽電池になったりといった展開もあります。

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