大阪大学产业科学研究所的坂本雅典教授（光化学专业）的研究团队正在推进开发一种可以吸收占太阳光能量近一半的红外线来发电的透明太阳能电池。该技术有望应用于无法安装现有黑色太阳能电池的窗户玻璃等处。研究团队已经解决了转换效率和大面积等课题，目标是在2025年试制出手掌大小的透明太阳能电池，并在2030年完成发电窗户玻璃的样品出货。
试制的透明太阳能电池。集成了除上部电极以外的所有太阳能电池要素（供图：大阪大学产业科学研究所广报室）
利用不可见光从纳米粒子中提取电子
太阳能电池的基本结构由光吸收层、电子取出层和电子接收层组成，可以将光能转化为电能。目前，最为普及的是使用硅半导体的硅基太阳能电池，这类电池能够将可见光转换为电能。市面上销售的硅基太阳能电池转换效率超过20%。我们经常看到发电站大规模使用的大型黑色电池板大都是这种硅基太阳能电池。
近年来，钙钛矿太阳能电池作为硅基太阳能电池的替代品正在迅速发展。这种电池可以通过在薄膜等物质上涂敷和印刷材料来制造，有望以低成本进行生产。此外，还有使用有机半导体薄膜作为发电层的有机薄膜太阳能电池，以及有效利用柔韧性和半透明性的染料敏化太阳能电池，因其低环境负荷和低成本的特性而备受期待。
而坂本教授等人正在开发的是一种利用光照射纳米粒子时，粒子中的电子发生集体振动的“局域表面等离子体共振（LSPR）”效应太阳能电池。这种电池通过向经过特殊掺杂的半导体纳米粒子照射波长比可见光长、肉眼看不见的红外线来提取电子。
当红外线照射材料表面的等离子体共振（LSPR）材料时，会产生具有能量的电子e-（热电子）（供图：大阪大学产业科学研究所的坂本雅典教授）
来自于世界上最高效的光催化剂
2024年4月转职到大阪大学的坂本教授，从2012年在京都大学化学研究所工作起，一直都在研究红外线的能量转换。红外线占太阳照射光的42%～46%，作为能源资源潜力巨大。而作为一种热射线，红外线会导致地球温室效应，因此有人说“利用红外线本身就在防止温室效应”。
坂本教授等人发现，将波长为1.1微米（1微米为百分之一米）的红外光照射到LSPR材料的金属硫化物纳米粒子上，这些粒子可以作为光催化剂生成氢，转换效率为当时全球最高。
在一次光催化剂实验中，有学生提到，“即使红外光照射在纳米粒子上也很难看到。”坂本教授由此想到“看不见即透明。如果将发现的光催化剂转换为太阳能电池，就可以和（黑色）硅基太阳能电池区分开来”。2019年，坂本教授发表研究成果，将表现出LSPR性能的掺锡氧化铟纳米粒子应用于光吸收材料，可以制造透明的太阳能电池。
含有锡掺杂氧化铟纳米粒子的溶液（左）和溶液的透射电子显微镜图像（供图：大阪大学产业科学研究所的坂本雅典教授）
将于今夏先行发售热射线遮蔽薄板
为了将LSPR材料制成的透明太阳能电池投入实际应用，坂本教授等人于2021年创立了源自京都大学的初创公司“OPTMASS”（位于京都府宇治市）。该公司于2022年发表研究成果称，将含有镉和硫或铜和硫的纳米颗粒作为LSPR材料，将其置于波长1.1微米的红外线照射下，获得了超过4.4%的转换效率。
通过对材料等的改良，目前的转换效率已提升到6%左右。但是，在包括可见光和紫外线的太阳光照射下其转换效率会降至1%左右，因此还有很大的改进余地。
此外，实际应用中需要将太阳能电池制成如窗玻璃尺寸等面积较大的规格。即使只存在少量针孔，电池的发电量也会显著下降，因此为了扩大太阳能电池的面积，还需要开发一种广泛且均匀地分布纳米粒子的技术。
LSPR材料还具有遮蔽从室外进入室内的热射线的效果。OPTMASS正在努力推进研究以便在2024年夏天先行发售LSPR材料的热射线遮蔽薄膜。从试制品来看，这种薄膜为透明略带绿色。这种绿色让人联想到OPTMASS提出的“将城市变成森林”的目标。
原文：长崎绿子／JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
·大阪大学新闻稿 透明太阳能电池的开发
·京都大学新闻稿 成功开发出将红外光转化为电能和信号的无色透明材料
