マグナスパワーな盆梅

 

 

 

  　　　みずうみの　国の梅こそ　めでたけれ　思ひのままなる　かをりはなちて　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　田辺聖子

 

                                                                                     
                                                                                        March 27th, 1929－

 

 

 

   
【酸化インジウムスズ電極代替電極の開発】

  Jan 25th, 2016

東京大学の研究グループが、少量のニオブを混ぜた酸化チタン薄膜を用いて、レアメタルを含む酸化インジ
ウムスズ電極を用いない有機薄膜太陽電池を開発。その手掛かりは、ニオブドープ酸化チタン薄膜表面のみ
を酸化することで電気を通りにくくし、電子と正孔のうち電子のみを選択的に捕集したことによる。ところ
で、有機薄膜太陽電池では、光を発電層に通す透明電極を使用するが、透明電極にはレアメタルのインジウ
ムを含む酸化インジウムスズが使われているが、研究グループは、より汎用的な材料である酸化チタンを透
明電極として用いた有機薄膜太陽電池である。これまでにニオブをドープした酸化チタン薄膜が、電気を流
しやすく光も通しやすい透明導電膜となることが知られていました。研究グループは、導電性のニオブドー
プ酸化チタンの表面に工業的にも一般的に用いられる紫外線オゾン法による酸化処理を施し、ニオブドープ
酸化チタンに電子と正孔のうち電子のみを選択的に捕集させる。ニオブドープ酸化チタンを有機薄膜太陽電
池の透明電極化手法を確立する（2016.01.26）。

通常、有機薄膜太陽電池の作製では、酸化インジウムスズを透明電極とし、その上に電子のみを流す層とし
て酸化亜鉛を積層し、さらに有機半導体からなる発電層を配置するが、この手法では透明電極と電子のみを
流す層をニオブドープ酸化チタン層の１つで可能となる。
それではどのようにして実現できたか少し詳しく考えてみよう。

有機薄膜太陽電池の有機発電層には、ポリ3-ヘキシルチオフェン（P3HT）とフェニルC61酪酸メチルエステ
ル（PCBM）をそれぞれ電子供与体、電子受容体として用いる。有機発電層が光を受けて電子と正孔（ホー
ル）を生成し、透明電極側と裏面電極側に電子および正孔が、分離捕集されはじめて機能あるいは効率がで
ない。

そこで、従来と本研究の有機薄膜太陽電池の比較し、酸化インジウムスズ透明電極と酸化亜鉛電子輸送層が、透
明電極と電子輸送層の機能を兼ね備えるニオブドープ酸化チタン層一層にまとまっている（上図）。導電性のニオブド
ープ酸化チタンの表面を紫外線オゾン処理で酸化し、半導体化することで、有機発電層から電子だけを選択的に捕
集する。

ニオブドープ酸化チタン薄膜のニオブ量は、光透過を良くするため通常より少ない２％（Ti_0.98Nb_0.02O₂）と
し、３００ナノメートルの厚みで有機薄膜太陽電池の電極に用いるために求められる抵抗（シート抵抗４０
Ω/sq以下）となることを確認（下／左図）。紫外線オゾン処理時間を変えたニオブドープ酸化チタン透明
電極を使用し、有機薄膜太陽電池を作製しエネルギー変換効率を評価したところ、１５分の処理では表面の
半導体化は不十分で漏れ電流が見られたが、３０分の処理から漏れ電流はなくなり、６０分、９０分と処理
時間を延ばすとニオブドープ酸化チタン薄膜の電荷を選択的に捕集する機能が高まり、より大きな電流が得
た（下／右図）。

 

ニオブドープ酸化チタン薄膜のシート抵抗。200 nmの厚みではシート抵抗が高く、300 nmの厚みから十分に
低いシート抵抗となる(上／左）。最適化された膜厚（300 nm）における電流-電圧特性の紫外線オゾン処理
時間に対する変化。９０分の紫外線オゾン処理時間のとき、エネルギー変換効率は２.７５％となる（下図）。
これは、酸化インジウムスズと酸化亜鉛を用いた参照素子のエネルギー変換効率（２.９１％）に匹敵する。
比較的高い変換効率が得られるのは、紫外線オゾン処理による表面酸化により表面のエネルギー準位が大き
くなり、そのため、有機発電層で生じた正孔をブロックできるようになり、電子だけがニオブドープ酸化チ
タン電極に流れるようになったためである（下図）。

このことにより、（１）レアメタルの使用が抑えられるだけでなく、（２）有機薄膜太陽電池の多層構造が
より単純になり、（３）有機薄膜太陽電池の作製の工程の簡略化される。（４）さらに、より高効率な有機
薄膜太陽電池や有機無機ハイブリッド太陽電池など、他の有機系太陽電池にも適用できる可能性がある。

【強風に強い垂直軸型マグナス式風力発電機】

強風でも発電できる「台風発電」実現へ、マグナス力を利用した垂直軸型に取り組むベンチャー企業のチャ
レナジーが話題となっている。風力発電は再生可能エネルギーとしては効率が高く、世界の再生可能エネル
ギーの中でも発電量は水力に次いで2番目に多い。しかし、日本の場合は太陽光発電に偏重し、風力の比率
は非常に低い状況にある。風力発電の普及を妨げている要因として（１）日本では風が一定に吹き続けてい
る場所が少ない、（２）台風などの強風が吹く状況では、ブレードなどが破損する可能性があるため、発電
を行えない。さらに、（３）小さな場所にも設置できないことなどがあるが、同社が取り組む「垂直軸型マ
グナス風力発電機」は、円筒を気流中で回転させた時に発生するマグナス力を利用した風力発電機である。

マグナス力とは速度を持った空気の気流の中を回転する円柱もしくは球が存在する時、この円柱や球の回転
運動に気流が引きづられ移動方向もしくは流れの方向に対し、垂直に働く力のことをいう。例えば、左から
右に一様に流れる気流があったとして、そこの中に時計回りで回転する円柱があったとすると、マグナス力
は上方向に働く。この一定方向に流れる気流（風）に対し、円筒形のものを回転させることで揚力を得て、
回転する風力発電がマグナス風力発電である。つまり、垂直軸型を採用することで、（１）設置スペースを
小さくでき、（２）安全性の向上や、（３）静音化などの効果も期待でき、（４）円筒の回転をコントロー
ルで、発電量を制御できるため、台風など強風環境でも制御できる。

同社は、今年の夏、沖縄県南城市にフィールドテスト機を建設し、世界初の「台風発電実証実験」に取り組
む計画だ。今回の実証実験では、直径３メートル×高さ３メートルの大きさで、発電量１キロワットのフィ
ールドテスト機を設置するという。そして、台風を迎え撃ち、発電量などのさまざまなデータを取得し、大
型の量産機を開発することを目指す。

 
ここでも説明されているように、日本の風力発電工学の最適化は喫緊の課題であることが確認できた。これ
は残件扱いとする。

【第６５回　長浜盆梅展鑑賞記】

よく眠れなかったこともあり（前後に大きな地震が起きている）作業もはからず、昼食後、長浜盆梅展を鑑
賞に上天気の中車を走らせる。

長浜盆梅展は、５１年（昭和２６年）に、長浜の北部に住む故高山七蔵翁が約４０鉢の盆梅が長浜市へ寄贈
し、その翌年から始まった長浜盆梅展は、今年で６５回目を迎える。盆梅の見どころの一つは、幹や枝ぶり
から伝わってくる生命力。樹齢百年を超えて捻じれが生じた幹や老木にみなぎる力が、見るものにパワーを
与えてくれる。ところで、長浜盆梅の生みの親は、東浅井郡上草野村高山（現長浜市高山町）の高山七蔵翁。
村長も務められた高山翁は、趣味で野山から梅の古木を集め、盆梅に育て上げた。高山翁の盆梅は口伝てに
有名になり、当時の長浜市長が「戦後の荒廃から抜け切れず疲弊している人たちに、安らぎと感動を与えた
い」と哀願。熱意に打たれ、長浜市に無償で寄付されたことにはじまる。まことに見事で二人で感心してい
た。過去二回ほど鑑賞しているが、駅前の再開発がされた現在のど規模と豪華さはなく、地味だった印象が
残っているものの、海外からの（特に、中国・台湾）観光客が多いことに驚いた。