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■太陽光発電(8)NEDO、4年で100億円投資、日本のリード不動に
（2006年4月20日付 日刊工業新聞11面）
【27年間で2000億円】
太陽電池の開発と普及で新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)など国が27年間に投じた額は2000億円を超える。最初の20年間は”滑走路“から浮上せず、成果が出てきたのはこの5、6年のことだ。
今や世界をリードする日本の太陽電池だが「結晶シリコンを薄くし、コストダウンを図るには限界がある。ただ当面は結晶の世界が続く」(小井沢和明NEDOエネルギー環境技術本部副本部長)という。そうした中、2020年には業務用コストで1キロワット時14円まで下げられるかが一層の普及への課題である。
この一環としてNEDOは7月にも企業・大学などを対象に09年度までの4年間に100億円を投じた未来技術研究開発テーマを選定する。銅、インジウム、セレンを主原料にするCIS系、薄膜シリコン、色素増感、超薄型シリコン、有機薄膜太陽電池のそれぞれに数値目標を設定して開発を行う。
「太陽電池に関してリスクのある先をにらんだ技術はNEDOが開発する。CISは小さい面積で電気変換効率18%、薄膜シリコンでは1000平方メートルモジュールで15%と結晶シリコン並みの効率をそれぞれ実現する」。NEDOは薄膜シリコンの生産性と効率アップに焦点を置いている。
色素増感は将来、太陽電池の大量普及を実現する際に最も低価格が期待できる。それだけに、まずは小面積で15%の電気変換効率の目標を掲げ、電力用としてどの程度可能なのかを探る。ガラス基板の間に有機色素を含んだ酸化チタンと液体の電解質を挟んだこの太陽電池は、簡単に壁に張り付くような塗料形態となるだけに、太陽電池の最終的な姿でもある。
フジクラと東京理科大学はフジクラのスクリーン印刷技術を応用し、大面積を再現性よく生産する技術を開発。実用セルで1単位の大きさとなる10センチ角で8.4%の電気変換効率を実現した。酸化チタンはナノサイズ(ナノは10億分の1)の材料で表面が影響するだけに、酸化チタンの合成が光の吸収に大きく影響する。
【2020年にらむ】
両者はNEDOの色素増感電池の開発公募に参加。量産技術の強みを生かし、フジクラはまず光電子研究所(千葉県)に量産ラインを整え、「09年度から量産対応を始める」 (北村隆之材料技術研究所化学機能材料開発部主査)予定。色素増感太陽電池はまだ世界で大量生産している例はない。「将来技術で重要だが、長期信頼性を得るには時間がかかる。今は実力を蓄える時期」(シャープ)と結晶系メーカーは2020年をにらむ。
結晶系の一層の薄膜化でNEDOの未来技術は100マイクロメートル。だが黒川浩助東京農工大学大学院教授は「50マイクロメートル厚までさらに薄くすることで、結晶系の長期レンジが展望できる」と、先端技術のブレークスルーは結晶系の一層の薄型だと強調する。2030年に住宅へは40%以上の需要があり、シリコン効率25%のバルク技術で薄膜より効率が稼げると将来図を示す。
黒川教授は20年後の太陽電池生産は100万キロワットの量産ラインとなると予想。薄くなった太陽電池フィルムを挟み込んだ20センチセルで1.8メートルのモジュールを毎分3.2枚の速度でつくる高速、高効率、割れない製造工程になると指摘する。
【2010年は節目】
現在、太陽電池で日本の技術は先行しており、2010年には節目の時期を迎える。結晶系でトップのメーカーは100万キロワットの時代となるだろう。薄膜系はまだ結晶系の姿を追いかける段階。太陽電池は国産エネルギーでもある。このエネルギーをさらに増強するためにも技術の普遍化への対応と、新技術の開発を絶えず進める必要が高まる。
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■色素増感型太陽電池、2008年見据え研究活発化
（2006年4月13日付 日経産業新聞17面）
コスト安く、異業種も参入
低コストで製造できる次世代の「色素増感型太陽電池」の研究開発が活発になっている。すでに実用化が進んでいるシリコン型太陽電池が原料高という逆風に見舞われており、将来性が買われている。2008年には基本特許も切れる見通しで、新規参入のハードルが下がる。太陽電池メーカー以外の企業も実用化に意欲を示している。
昨年10月の東京モーターショーで公開したマツダのコンセプトカー。未来社会をイメージした車体デザイン、環境問題を考慮したハイブリッドエンジン・・・・。そんな自動車を太陽電池研究者が注目した。後部の天井ガラスに、色素増感型太陽電池を採用したからだ。
太陽電池と言えば群青色または黒っぽいシリコン型が一般的。だが色素増感型は、光を透過できるために天井ガラスとして使える。
マツダは自動車の屋根に太陽電池を設置する研究を進めていたが、シリコン型と異なり光を透過することができデザイン性の高い色素増感型に目をつけた。数年前から専門のメーカーと協力して研究開発を開始。光電変換効率(光を電気に変える効率)は明かせないとしているが、ハイブリッドエンジンに電力を供給する補助電源としての利用を想定しているという。
色素増感型太陽電池は光を吸収して電子を放出する有機色素を利用して発電する。有機色素を付着させた酸化チタンと電解質液をガラスなどの基板で挟んだ構造。光電変換効率は数%台で、15%台(多結晶シリコンタイプ)もあるシリコン型に遠く及ばない難点があるが、原料が安く、製造方法はいたって簡単。同じ発電量を得るための製造コストはシリコン型の3分の1から5分の1に下げることができると期待されている。
色素増感型太陽電池に熱い視線を送るのはマツダだけではない。東京理科大学の荒川裕則教授は日産自動車の支援を受け、昨年4月からフィルムを基板に使った電池を開発中。色素増感型はガラスだけでなくフィルム素材も基板に使えるため、薄く曲がる電池も実現可能。日産は「シリコン型より安く製造でき、プラスチックを基板に使えばデザインの自由度が増す」と説明する。
荒川教授は独自の工夫をこらした。そのままでは光電変換効率が上がらないためだ。電池内に光を封じ込めて有機色素が光を吸収しやすくするために酸化チタンの配列をナノ(ナノは十億分の一)メートルレベルで制御。電子を伝達する酸化チタンの結合を高めるため、圧力をかけて酸化チタンを基板に付着させる手法を採用した。変換効率は5ミリメートル角で7.1%。曲げられるタイプとしては世界最高値。荒川教授は自動車メーカーの関心の高まりについて「2008年に基本特許が切れる機会を最初のビジネスチャンスととらえているのだろう」と解説する。
「半年前から、化学・電機などの企業から製造装置や材料に関する問い合わせが急激に増えた」と指摘するのは、色素増感型太陽電池の研究を手がけるペクセル・テクノロジーズ(横浜市)の宮坂力社長。携帯機器への利用を想定してフィルム電池の開発に力を入れる同社は、桐蔭横浜大学の教授を務める宮坂氏が大学発ベンチャー企業として2年前に設立した。
同社の電池は比較的低温で基板上に焼結させることができる特殊な酸化チタンを使うのが特徴だ。抵抗を抑えるためにフィルム基板上にはITO(酸化インジウムすず)の導電材を塗布してある。変換効率は3%ながら、30センチメートル角という大型化にも成功した。携帯電話機を作動できるほどの電気出力がある。08年の販売を狙っている。
色素増感型太陽電池の魅力は、印刷技術を応用して安くて簡単に製造できる点にもある。シリコン価格が高騰する中、シャープなどの太陽電池メーカーも開発を進めるが、異業種企業も開発競争を引っ張っている。
電線大手のフジクラは2000年に研究開発を始めた。材料技術研究所の北村隆之主査は「原油などのエネルギーに資源的な制約がある中、太陽電池の開発は避けて通れないテーマになると思った」と話す。印刷型回路の製造技術を生かして、抵抗を抑えるための集電配線として使う銀ペーストなども一貫してスクリーン印刷で基板上に形成できる技術を確立した。
同社が狙うのはシリコン型と同じように屋外に設置して家庭用電力をまかなうタイプ。光電変換効率を上げるために優位となるガラスを基板に使っている。10センチメートル角での変換効率は8.4%と目標とする10%に近づいてきた。曇った日などに斜めからの光を吸収しやすいのも色素増感型の特徴だ。
ただ、屋外利用は耐久性が求められる。高温や風雨にさらされると、封止材が劣化して電解質液がもれ出すため、フジクラでは電解質液をゲル化したイオン液体に変えることなどを検討している。北村氏は「08年にはサンプル出荷を開始したい」と意気込む。
アイシン精機も屋外設置を狙う企業。電解質液をゲル状に変え、セ氏85度に耐えるようにした。変換効率は6ミリメートル×9ミリメートルの大きさで8.2%。現在は屋外で耐久試験を実施中。参入企業の増加は色素増感太陽電池の技術革新を促しそうだ。
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■Pennsylvania awards $1 million to Plextronics for organic PV
（2006年4月 PHOTON International）
http://www.photon-magazine.com/news/news_2006-04_am_pennsylvania.htm
The Pennsylvania Energy Development Authority (PEDA) in January awarded a combined $250,000 grant and $750,000 loan to Pittsburgh-based Plextronics Inc. to advance the development of its ≫Plexcore PV≪ p-type semi-conducting polymer for organic solar cells. The company plans to use the money to add expertise in polymer design and synthesis, and purchase deposition and other equipment in order to produce Plexcore PV prototypes by the end of this year, says Plextronics VP of Technology Shawn Williams. The award follows a $300,000 grant from PEDA announced last June (see PI 7/2005, p. 29). ≫These awards have really been a big boost for us,≪ says Williams. The company mainly has been focused on organic LED technology, but Williams roughly estimates that 40 percent of the company‘s operations now are devoted to PV.
The Plexcore PV polymer is made as a powder and dissolved in solvents, resulting in an ink. Currently, Plextronics is focused on developing this active layer of the organic cell, which would then be combined with an n-type material for fabrication into a complete solar cell. ≫We feel that the key to success [in organic PV] is the active layer,≪ says Williams. The company hopes to form a joint venture with a partner who has printing capability. Plextronics would then supply its inks for printing into flexible plastics or fabrics in high-speed ≫roll-to-roll≪ manufacturing lines.
For example, Williams notes that Konarka Technologies plans to introduce organic solar cells in consumer devices in the near term. The company partnered with Leonhard Kurz GmbH of Germany last June to bring its ≫power plastics≪ into large-scale production for portable and consumer electronics, sensors, and other uses. ≫We would like to see Plextronics inks in those,≪ says Williams.
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■市場化目指す新エネルギー産業 第2部太陽光発電(11)
（2006年3月22日付 化学工業日報12面）
「有機EL(エレクトロルミネッセンス)の研究者が、昨年ごろから雪崩を打って参加し始めている」(八瀬清志産業技術総合研究所光技術研究部門副部門長)といわれるのが有機薄膜太陽電池。シリコン太陽電池やCIGS系太陽電池などに次ぐ、次々世代の実用化が期待されている低コストタイプの「究極の太陽電池」と目されており現在、1 キロワット当たり50円前後のコストを一挙に同7円まで引き下げる「ドリームテクノロジー」であるためだ。
有機薄膜型の太陽電池は、色素増感型などとともに低コスト太陽電池の有力候補として開発されているが、かつては変換効率が1%程度と低いことから有機ELなどに比べ、実用化には相当の時間が必要とみられていた。開発当初の平面ヘテロ接合型の構造では、接合面積が小さいことから光電荷分離発生密度が小さく、性能に限界があった。
しかしフラーレンの発見にともなって、バルクへテロ接合が可能になるとともに、フラーレンとポリフェニレンビニレン(PPV)誘導体を混合した発電層を電極で挟んだものでは3%を超える効率が達成され、一挙に脚光を浴び始めた。三菱化学などがフラーレンの大量供給をスタートさせたことも手伝って、有機薄膜型の開発が大きく動き始めている。
産総研は、昨年2ミリメートル角の有機薄膜太陽電池で世界最高の変換効率4%を達成した。今後、大面積の10ミリメートル角で5%を目指すとともに、中期的に複数の電池セルを積層したタンデム型で同10%を狙う意欲的なプランを練っている。また一昨年、新日本石油と米プリンストン大学のグループは、銅フタロシアニンとフラーレンを用いたタンデム構造のセルで5.7%の変換効率をたたき出した。
有機ELが当初見込まれたよりも、大画面ディスプレーへの応用に手間取っていることもあって、研究者が研究対象を太陽電池に切り替える動きが目立ってきた。将来1 キロワット当たり7円を目指すタンデム型では、変換効率がまだ1〜2%程度にとどまっているが、3%程度に性能が上がってきているポリフェニレンやチオフェンなどの高性能なπ共役系材料をp層に用いたタイプでは、世界の化学メーカー間で開発が活発化している。
これらの高分子、低分子のポリマー系有機半導体材料は、液状に混合して基板に塗布するプロセスが採用可能であり、一層の低コスト化が期待できるからだ。そうしたなかで、大日本印刷が印刷法で生産できる有機薄膜太陽電池の開発を本格的に開始しているという。
ウエットプロセスの適用によってロール・ツー・ロール化が可能など、シリコン系に比べて大幅なコストダウンが期待できる。変換効率の向上については、正孔取り出し層に用いる導電性ポリマーの改善によって変換効率3.4%を達成、材料、プロセス両面で工夫を加えて、当面は変換効率5%を目指すという。
有機薄膜太陽電池は、特性的に「使い込むうちに光劣化が減少する」メカニズムを有することが明らかにされ始めており、当初課題とみられていた寿命は、懸念するほどではないことが分かってきた。さらに光の入射角を問わないため、北側への設置が行えるなどシリコン系にはない特徴があるほか、紫外光寄りから可視光以上まで多様な太陽光の波長が利用できる可能性がある。「究極の太陽電池」として、さらに注目度を高めることになりそうだ。
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■市場化目指す新エネルギー産業 第2部太陽光発電(10)
（2006年3月20日付 化学工業日報14面）
今、水面下で業界の耳目を集めているのが、色素増感太陽電池だ。「2008年は、色素増感太陽電池の事業化元年となるだろう。一時の勢いはやや衰えているようだが、化学、電子、自動車メーカーなどが企業化する可能性が強まってきた」と囁かれている。
色素増感太陽電池は、1988年にスイス・エコール工科大学のグレッツェル教授グループが基本構造の特許を取得していたが、08年四月に期限切れを迎える。これを待って、わが国はもとより、海外の多くの企業が事業化を検討しているからだ。
色素増感型のレベルを大幅に引き上げる成果となったのが、同教授らによる酸化チタンナノ多孔膜に色素分子を吸着させる手法の発明。これによって10%近い発電効率を達成、シリコンを超える安価な太陽電池への期待が一気に高まった。
そうしたなかで色素増感度型の利点をさらに高め、太陽電池本体にキャパシターや二次電池などの蓄電機能を組み込み、まったく新しい太陽電池のコンセプトを実現したのが、わが国オリジナルの「光充電型色素増感型太陽電池」である。
太陽電池では不可能だった、太陽の光エネルギーを電力として直接貯蔵することができる画期的な機能を有しているもので、色素増感型の市場化をリードするアプリケーションとして、08年の後半には実用化を前提とした試作品が登場するという。
研究開発を進めている桐蔭横浜大学大学院教授の宮坂力教授、東京大学の瀬川浩司助教授のグループによると「将来的にはシリコン太陽電池の五分の一から十分の一の低コスト化が見込める。シリコンに比べて軽量化と柔軟性を生かした、まったく新しいユビキタス電子機器やウエアラブルな用途への実用化が期待される」という。
宮坂教授は、その電池を企業化するベンチャーの「ぺクセル・テクノロジーズ」を創業しており「08年後半には目覚まし時計やパソコンなどのデジタル機器の電源としてサンプル出荷を計画している」と語る。
同グループは、有機色素の光化学反応を使って発電する色素増感太陽電池をベースに、蓄電機能として「電気二重層キャパシター」を一体化したタイプを宮坂教授が開発する一方、瀬川助教授が「光二次電池」を組み合わせたものをそれぞれ開発中。
「両タイプとも世界に類を見ない独自の発想を具体化した新型電池で、わが国オリジナルの『光を電気として蓄える』まったく新しい機能を有している」(宮坂教授)という。共通部分の色素増感太陽電池はルテニウム色素とヨウ素電解液、酸化チタンナノ粒子を要素としたもので、厚さは15ナノメートル。基板にはガラスとPEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂を用いているが、光電変換効率はプラスチックで6%に達しており、ミニマム目標を8.5%に置いた開発を進めている。
キャパシターの静電容量は、1平方センチメートル当たり2ファラド、電荷量は同4 クーロンを実現するなど、当初の目標を飛躍的に伸ばしており、高性能化が図られている。また二次電池は充電電圧が0.62ボルト、充電容量が235メートルクーロンに達している。
この電池は、セルを直列に結ぶと、従来の電池では実現できなかった高電圧化が容易に得られるほか、光入射角の制限がアモルファスシリコン型の2倍、遠赤外波長の利用が見込めるなど多くの特徴を兼ね備える。
シリコン系やCIGS系とは趣を異にした色素増感型特有の市場がパソコン、携帯電話などのウエアラブル用途に広がることが予想されるほか、ブラインドカーテンなどに加工して家庭の液晶テレビの電源に応用したり、さまざまな発想を生かした展開の可能性がありそうだ。
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■セイミケミカル、複合酸化物事業を拡大、07年にも商業設備
（2006年3月15日付 化学工業日報8面）
セイミケミカルは育成を進める複合酸化物事業のタ−ゲット分野を拡大する。以前から取り組んできた固体酸化物型燃料電池(SOFC)の主要部材や固体高分子型燃料電池 (PEFC)用電極触媒のほか、プロトン導電型燃料電池向けプロトン導電体、色素増感型太陽電池(DSC)向けの増感色素やイオン性液体などを開拓するもので、これにともない2007年末〜08年初をめどに商業設備を建設、供給を拡大する。また前段階として PEFC用電極専用の開発試作ライン設置も検討する。
セイミケミカルはクエン酸合成法や粒子設計などの技術と希土類酸化物やレアメタルなどのキ−マテリアルを有し、有機、無機両方で高い技術力を持つ開発型企業。複合酸化物は品質が均一かつ比表面積が大きく排水処理が不要などの特徴を持つクエン酸合成法で生産する。
メ−ンのSOFCは当初、PEFCに続く位置付けだったが、各社が08〜09年ごろを目指した実用化の道が見えてきた。同社はSOFCを開拓固体電解質から空気極、燃料極、インタ−コネクタ−まで主要材料を供給でき、今後拡大を見込む。
一方、PEFCは開発の進展にともない多くの課題が出ているが、同社は水蒸気改質やシフト反応、CO選択酸化など水素合成電極触媒などを提案していく。また動作温度で SOFCとPEFCの中間のプロトン導電型燃料電池向けの開拓にも着手、燃料電池分野を強化している。
さらにDSC向けも展開していく考え。DSCはシリコン系に比べ製造時のエネルギ−コストを大幅に抑制、変換効率は低いものの樹脂フィルム製の曲がる太陽電池やカラフルな太陽電池を作ることができ、新しい使い方が期待されている。同社は低コストな増感色素や酸化チタンに代わるチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)電極、イオン性液体などの開発を進める。
同社はこれら市場開拓によって、現状の月産2トンの試験設備では供給が不足すると判断、07年末〜08年初をめどに商業設備の建設を計画中。ただ、今後PEFC用電極触媒の需要も拡大する見通しであることから、商業設備に先駆け専用の試作ライン設置も検討していく。
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■イオン性液体 優れた特性、量産へ動き活発
（2006年3月3日付 化学工業日報7面）
「イオン性液体」と呼ばれる常温溶融塩がキャパシタの電解質などとして注目されている。この液体は高イオン伝導性と高耐熱、不揮発性を両立するなどこれまでの電解質にない優れた特性を備えており、化学関連など各社の量産を目指した動きが活発化しているほか、大学でもこの分野の最先端技術の確立に積極的に取り組んでいる。研究成果は着実に挙がっており、燃料電池カーなどの普及に取り組む自動車業界などがその動向を注視している。
イオン性液体の開発は1950年代から始まり塩類のイオンを特定の有機イオンに置き換える研究が行われてきたが、当時は不安定なものが多く普及しなかった。90年代に入ってから改良が進みその高機能が紹介されるようになって、有機合成を得意とするファインケミカルメーカー各社が事業化を表明、実用的なサンプルが供給されるようになった。
イオン性液体はカチオンの基本構造によってピリジン系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系の3種類に大別され、カチオン、アニオンの組み合わせで物性を自由に変えることができる。フッ素などハロゲン元素を含んだ陰イオンと、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、トリメチルヘキシルアンモニウムイオンなどを陽イオンにした組み合わせが知られており、こうしたイオンの組み合わせで物性や特性を調整している。
基本的な技術はかなり古いこの液体が最近注目されるようになったのは、自動車業界の環境対応カーの開発だけが要因ではない。電池技術が追いつかないようなモバイル機器の急速な高機能化も大きく関係しているようだ。携帯電話やデジカメ、ノートパソコンなどのモバイル機器は長時間動作はもちろん、高温多湿や超低温など過酷な使用条件での安定した性能維持が不可欠で、開発現場では電源に使われる素材を根本から見直す取り組みが始まっている。
イオン性液体はその素材の候補として有力視されており、電機業界の開発現場では「モバイル電源の次世代電解質材料としての実力は備えている」と評価する関係者も多い。この液体に関する最新の研究成果を分析した開発マンの一人は「イオン性液体が電池の技術革新に加速をつけることは間違いない」と強調。このため各社は競い合うように、水面下でサンプル出荷された複数のイオン性液体の性能試験を行っているのが現状だ。
イオン性液体は太陽電池の電解質や化学反応プロセスの新溶媒、センサー、電解メッキ、ポリマー、可塑剤などの分野でも夢の材料として脚光を浴びつつあり、こうした幅広い用途で使われれば将来、ファインケミカルメーカーの経営を支える大型製品に成長するのは確実と、事業化を目指す企業の関係者はその成長性に期待している。
近い将来、最も大型市場として期待されているのが自動車業界である。自動車は日本の基幹産業である。京都議定書が発効し国を挙げて環境対応に取り組まなければならない今、日本の自動車業界の環境に対する姿勢は世界が注目するところである。
このため自動車メーカー各社は高性能と汎用性を両立させた環境対応カーの開発に全力で取り組んでいるが、その研究のかなりの部分を化学材料の選択に割いているという。電解質はこうした研究のなかで最も関心の高い材料といえるが、イオン性液体が次世代材料としてどれだけの実力があるのか、現在、厳しい評価試験が行われている。温度変化や振動などにさらされる自動車の電源では、高温による発熱や液漏れを防ぎながら電池としての高性能をどれだけ確保できるのかがポイントとなり、イオン性液体の量産を目指す化学メーカー各社のサンプル出荷が本格化している。
環境対応カーはハイブリッド車の量産が軌道に乗りつつあり燃料電池カーも各社が発表、近い将来、本格的な量産が期待されている。今後の環境対応カーの技術革新の焦点は大型リチウムイオン二次電池を採用した自動車の実用化に移りつつあり、同電池用電解質の研究も活発になっている。こうした動きに応えるかたちで産業技術総合研究所は、リチウム金属二次電池用電解質として使えるイオン性液体を開発した。主力成分は4級アンモニウム−イミド塩で高充放電効率を実現した点が技術的なポイント。既存のリチウムイオン電池の2倍以上のエネルギー密度が得られ、大型リチウムイオン電池の開発に取り組む企業も関心を示している。
ここでイオン性液体の事業化を進める各社の動向をみてみよう。先行する日清紡は高耐熱、高耐電圧を実現したイオン性液体の開発に成功。この液体を使ったハイブリッドカー用などの電気二重層キャパシタも開発し、キャパシタのサンプル出荷を始めている。また、電気二重層キャパシタモジュールの開発にも着手し、本格的な事業化を目指して動いている。
また、関東化学は脂肪族系やイミダゾリウム系のイオン性液体などを開発し、キャパシタやリチウムイオン電池の電解質材料として拡販を目指している。さらに、東洋合成工業は脂肪族系、イミダゾリウム系のほか、ピリジウム系などのイオン性液体や第4級アンモニウム塩の開発を完了し千葉工場内に生産ラインを設置した。
関西勢の取り組みも活発だ。関西地区には有機合成の有力ファインケミカルメーカーが多くサンプル出荷を行う各社は、顧客の需要を獲得しようと供給体制の整備に余念がない。その1社のトップは「当社の将来の主力製品。この分野で年間数10億円の売り上げを挙げたい」と意気込んでいる。