家 裕隆
大阪大學 產業科學研究所 教授
2023～2024年 大學衍生新產業創造基金事業可行性驗證（創業挑戰）研究代表
「創新日本走訪」系列採訪那些以實際應用於社會一線為目標的研發現場。第28回採訪的是大阪大學產業科學研究所家裕隆教授，他正致力於研發可安裝在農業大棚中的薄片狀有機太陽能電池。這種太陽能電池為隻吸收對光合作用貢獻較少的綠色光的波長選擇型，兼具環保屬性，研究目的是實現兼顧農業與發電的「太陽能匹配模式」。目前已與多家企業合作，在日本各地的農田開展實地驗證。
輕而薄，最適合大棚安裝
既往產品存在重量及有毒物質等課題
家裕隆教授的實驗室坐落在緊鄰萬博紀念公園、坐擁廣闊校園的大阪大學吹田校區。在該校區產業科學研究所內的實驗室裏，我們看到了像薄片一樣質地輕盈的有機太陽能電池（OPV）（圖1），這款產品堪稱農業大棚屋頂及天花板的理想選擇。
圖1 僅吸收綠色光發電的OPV。光合作用所需的藍色光與紅色光可透過電池，到達農作物。
在農田進行太陽能發電的「農光兼顧」早已屢見不鮮，但家教授指出，目前主流的矽基太陽能電池以及未來有望普及的鈣鈦礦太陽能電池等無機物太陽能電池，尚存在諸多亟待解決的問題。
比如，矽基光伏板重量較大，需配套專用支架，不僅安裝成本高昂，後續廢棄處理也存在難度。鈣鈦礦太陽能電池雖發電效率較高，但其含有的有毒物質鉛，成為農業應用中的一大隱患。此外，矽基光伏板完全不透明，安裝區域下方會形成陰影；鈣鈦礦太陽能電池則會遮擋光合作用必需的藍色光與紅色光。光照不足會導致農作物生長受阻，因此這類光伏產品只能安裝在無種植的區域。受上述因素限制，這類電池大多安裝在土地充裕的大規模農田，且其核心目的並非為農業生產供電，更多是通過售賣電力改善農企經營。
家教授認為，研發農地專用太陽能電池，必須站在農戶的角度思考。「對農戶而言，光伏產品不能隻追求高發電效率，能否保障安全、高品質的農作物穩定收穫，才是核心需求。」因此，研究團隊一直致力於研發一款既能發電，又不會影響下方農作物生長的太陽能電池。
僅選擇綠色波長用於發電
實現電力的「地產地消」
OPV的發電層由作為電子傳輸材料的供體與接受者混合製成的薄片構成。薄片吸收光線後，供體或接受者中會產生激子，激子抵達兩者界面時發生電荷分離，進而產生電流。家教授首先選定了市售且價格低廉、僅吸收綠色光波段的供體分子。由於農作物生長不可或缺的光合作用主要依賴藍色光與紅色光波段，因此如果能僅利用對光合作用貢獻較小的綠色光進行光伏發電，就不會對農作物生長造成大的影響（圖2）。
圖2 植物通過葉綠素a或b色素進行光合作用。由於兩者都使用波長約450奈米（奈米為十億分之一）的藍光和約650奈米的紅光，因此利用其中間的綠光進行太陽能發電就成為了本研究的目標。
家教授在JST（國立研究開發法人科學技術振興機構）的未來社會創造事業項目中，自主研發了最適合與僅吸收綠色波長的供體分子搭配的接受者分子（圖3）。由此製成的主要利用綠色波長發電的波長選擇型OPV兼具質輕與柔韌的特性，可貼合農業大棚的曲面進行安裝。由於能透過光合作用所需的藍色光與紅色光，因此對農作物生長的影響很小。
圖3 波長選擇型OPV中含有的供體分子，以及家教授等人開發的接受者分子之一。
談及波長選擇型OPV的獨特優勢，家教授解釋道：「只要有效利用農業大棚的天花板，即便是狹小的農田也能安裝。與大棚一體化還能簡化設備，發電所得電力能直接用於大棚溫度調控等農業生產環節，真正實現電力的‘地產地消’」。農光兼顧的目的是向外部賣電，而太陽能匹配則不同，其特點是將電力自產自銷。
為將波長選擇型OPV安裝在農業大棚，需要根據大棚寬度，製作出以米為單位的模組化產品。因此，家教授申請了JST大學衍生新產業創造基金事業的可行性驗證項目，圍繞模組化進行了反復驗證，並進一步在農業相關企業的協助下，將波長選擇型OPV實際安裝在農業大棚中，檢測其對農作物生長及產量的影響。實驗結果顯示，部分蔬菜在使用波長選擇型OPV後，大棚室內溫度更易管理，農作物產量也有所提升。家教授表示：「我們目前仍在對草莓、番茄等農作物開展驗證實驗。如果證實能提高產量，相信農戶也能切實感受到採用波長選擇型OPV的優勢。」
面向實用化推進規模化升級
用戶期待「一體化系統」
目前該研究已入選日本國立研究開發法人新能源與產業技術綜合開發機構（NEDO）的項目，正全力推進面向實用化的規模化升級。家教授介紹：「目前，我們長在與三家企業合作，共同探討模組化波長選擇型OPV的高性能化與量產化方案。」眾多農戶也對該技術高度關注，前來洽談實證實驗的諮詢接連不斷。
要實現技術的實用化落地，不僅需要提高發電效率和驗證耐久性，還需要進一步增大模組的尺寸。家教授表示：「日本國內的生產設備目前最多只能製作寬度40～50厘米的產品，而歐洲已配備可生產單張寬度達2米的長薄片的設備。完善生產環境需要巨額的設備投資，因此需要國家層面的支持」。此外，家教授的目光不僅限於太陽能電池本身，未來還著眼於構建集成了電線、充電裝置、感測器、通信設備等的一體化系統。
隨著研發體系的完善與驗證規模的擴大，家教授切實感受到了邊研究邊經營的難度。他表示：「我本人仍將以研發工作為核心，至於經營，考慮交由能夠全面理解波長選擇型OPV技術、並具備整體管理能力的專業人士負責」。懷揣著創業的願景，家教授團隊正穩步邁向技術的社會實際應用之路。（TEXT：島田祥輔、PHOTO：大林博之）
原文：JSTnews 2026年3月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
