大阪大學產業科學研究所的坂本雅典教授（光化學專業）的研究團隊正在推進開發一種可以吸收佔太陽發光能量量近一半的紅外線來發電的透明太陽能電池。該技術有望應用於無法安裝現有黑色太陽能電池的窗戶玻璃等處。研究團隊已經解決了轉化效率和大面積等課題，目標是在2025年試製出手掌大小的透明太陽能電池，並在2030年完成發電窗戶玻璃的樣品出貨。
試製的透明太陽能電池。整合了除上部電極以外的所有太陽能電池要素（供圖：大阪大學產業科學研究所廣報室）
利用不可見光從奈米粒子中提取電子
太陽能電池的基本結構由光吸收層、電子取出層和電子接收層組成，可以將發光能量轉化爲電能。目前，最爲普及的是使用硅半導體的硅基太陽能電池，這類電池能夠將可見光轉換爲電能。市面上銷售的硅基太陽能電池轉化效率超過20%。我們經常看到電廠大規模使用的大型黑色電池板大都是這種硅基太陽能電池。
近年來，鈣鈦礦太陽能電池作爲硅基太陽能電池的替代品正在迅速隊形變換。這種電池可以透過在薄膜等物質上塗敷和印刷材料來製造，有望以低成本進行生產。此外，還有使用有機半導體薄膜作爲發電層的有機薄膜太陽能電池，以及有效利用柔韌性和半透明性的染料敏化太陽能電池，因其低環境負荷和低成本的特性而備受期待。
而坂本教授等人正在開發的是一種利用光照射奈米粒子時，粒子中的電子發生集體振動的「局域表面電漿共振（LSPR）」效應太陽能電池。這種電池透過向經過特殊摻雜的半導體奈米粒子照射波長比可見光長、肉眼看不見的紅外線來提取電子。
當紅外線照射材料表面的電漿共振（LSPR）材料時，會產生具有能量的電子e-（焦熱電子）（供圖：大阪大學產業科學研究所的坂本雅典教授）
來自於世界上最高效的光觸媒
2024年4月轉職到大阪大學的坂本教授，從2012年在京都大學化學研究所工作起，一直都在研究紅外線的能量轉換。紅外線佔太陽照射光的42%～46%，作爲能源資源潛力巨大。而作爲一種熱射線，紅外線會導致地球温室效應，因此有人說「利用紅外線本身就在防止温室效應」。
坂本教授等人發現，將波長爲1.1微米（1微米爲百萬分之一米）的紅外光照射到LSPR材料的金屬硫化物奈米粒子上，這些粒子可以作爲光觸媒生成氫，轉化效率爲當時全球最高。
在一次光觸媒實驗中，有學生提到，「即使紅外光照射在奈米粒子上也很難看到。」坂本教授由此想到「看不見即透明。如果將發現的光觸媒轉換爲太陽能電池，就可以和（黑色）硅基太陽能電池區分開來」。2019年，坂本教授發表研究成果，將表現出LSPR性能的摻錫氧化銦奈米粒子應用於光吸收材，可以製造透明的太陽能電池。
含有錫摻雜氧化銦奈米粒子的溶液（左）和溶液的穿透電子顯微術影像（供圖：大阪大學產業科學研究所的坂本雅典教授）
將於今夏先行發售熱射線遮蔽薄板
爲了將LSPR材料製成的透明太陽能電池投入實際應用，坂本教授等人於2021年創立了源自京都大學的初創公司「OPTMASS」（位於京都府宇治市）。該公司於2022年發表研究成果稱，將含有鎘和硫或銅和硫的奈米顆粒作爲LSPR材料，將其置於波長1.1微米的紅外線照射下，獲得了超過4.4%的轉化效率。
透過對材料等的改良，目前的轉化效率已提升到6%左右。但是，在包括可見光和紫外線的太陽光照射下其轉化效率會降至1%左右，因此還有很大的改進餘地。
此外，實際應用中需要將太陽能電池製成如窗玻璃尺寸等面積較大的規格。即使只存在少量針孔，電池的發電量也會顯著下降，因此爲了擴大太陽能電池的面積，還需要開發一種廣泛且均勻地分佈奈米粒子的技術。
LSPR材料還具有遮蔽從室外進入室内的熱射線的效果。OPTMASS正在努力推進研究以便在2024年夏天先行發售LSPR材料的熱射線遮蔽薄膜。從試製品來看，這種薄膜爲透明略帶綠色。這種綠色讓人聯想到OPTMASS提出的「將城市變成森林」的目標。
原文：長崎綠子／JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關鏈結】
·大阪大學新聞稿 透明太陽能電池的開發
·京都大學新聞稿 成功開發出將紅外光轉化爲電能和訊號的無色透明材料
