ガラスや壁が発電？薄暗い場所でも発電できる「色素増感太陽電池」とは？

一見ステンドグラスのような普通のガラスなのに、発電もできて蓄電もできる。しかも、早朝や夕暮れでも発電能力が一般な太陽光電池のように落ちない。そんな夢の様な研究が進んでいます。「色素増感太陽電池」。聞きなれない言葉ですが、すでに実用化手前まで来ています。発電の未来を変えるかもしれないこの電池、いったい、どんな発電方法なのでしょうか？

研究を行っているのは東京大学先端科学技術研究センターの瀬川浩司教授のグループ。2009年からは内閣府の最先端研究開発支援プログラムの助成を受け、国内外の20以上の企業や団体が加わって、研究とフィールド実験が進められています。

「色素増感太陽電池」は、電気を通す透明なガラス、色素をまとった酸化チタンナノ粒子薄膜、電解質を組み合わせて作られます。太陽からの光を色素が吸収すると電子を放出、その電子を酸化チタンが受け取って電気を作るという仕組みです。光を当てると酸化チタンが発電する性質がNature誌に論文発表されたのは1972年。発見者の名前を取って「本多藤嶋効果」と呼ばれています。

なぜ色素が必要なのでしょうか？　酸化チタンは、紫外線防止のため化粧品に使われている手に入れやすい白い物質で、そのままでは太陽の光をはね返しやすいため、そこに太陽の光を吸収しやすいように色素をまとわせる工夫が必要になります。それが「色素増感」です。瀬川教授はこの原理について「植物の光合成に似ている」と説明します。

目に見える光だけでなく、紫外線や赤外線も集められる効率のよい色素を開発することは、製品化に向けてのカギです。電池の性能を上げると同時にデザイン性を持たせることにもつながっているからです。

植物の葉緑素は緑ですが、色素を変えてガラスで挟むと赤や紫、青、黒といったカラフルなステンドグラスのような電池が生産可能になるのです。さらに、発電できるガラスが実用化できるということは、建築物のガラスに発電能力を持たせることもできるようになります。

しかも、「色素増感太陽電池」は太陽光の角度や光の強さを選ばないという特徴があります。工務店に「ソーラーパネルは南に向けてください」と言われません。太陽の光が直接当たらないビルの壁など日陰となる場所でも発電ができるのです。

発電を考える場合に避けて通れない考え方が「設備利用率」です。設備容量に日照量を掛け算したものが電力量ですから、天気が悪いと設備利用率が下がります。

現在普及している太陽光発電の設備利用率は12%前後と言われています。夜間は太陽がありませんし、朝方や夕方は発電量が落ちるからです。これに対し、「色素増感太陽電池」は、薄暗い時間帯の発電能力がさほど落ちないため、瀬川教授は「設備利用率は楽々と今の太陽光発電を超えるだろう」と話しています。

また、一般的な太陽光発電は、シリコンの結晶を薄くスライスして作りますが、「色素増感太陽電池」の主な材料はペースト状の酸化チタンです。言ってみればインクをガラスなどに印刷するように製造できるので、印刷するデザインを自由にできるばかりでなく（初音ミクがデザインされた電池もあります）、薄型化と低価格化が可能。製造機械のコストは従来の方法と比べて2分の1程度になると期待されています。

さらに画期的なのは、太陽電池そのものに蓄電機能を持たせることもできるということです。ソーラーパネルで発電した電気は、外部の電池に充電するやり方が一般的ですが、色素増感太陽電池では工夫すると蓄電機能を内蔵させることもできるので、周囲が暗くなってもガラスや壁から安定した電力を供給できるのです。

課題がないわけではありません。「光のエネルギーをどれだけ電気エネルギーに変えられるか」を示す考え方を「変換効率」と言います。すでに市販されている太陽光発電は20％前後ですが、「色素増感太陽電池」は高くても14％程度とまだ及びません。電池そのものの寿命は市販の太陽光発電と比べてまだ短く15年程度です。

しかし、暗い場所での発電に強く、意匠性が高い。しかも安価に作れ、蓄電もできるという「色素増感太陽電池」。建築資材としてはもちろん、電球の光でも発電できるので、瀬川教授は「室内で利用する電源にも使える道を拓くだろう」と話しています。

＜注＞色素増感太陽電池が全て蓄電機能を持つわけではありません。内部構造を工夫することで蓄電が可能になります

発電する窓 - ソニー色素増感太陽電池 : DigInfo