原理的には、植物の光合成と同じことが太陽光発電にも当てはまります。吸収できる光が多ければ多いほど、エネルギー収量も大きくなります。したがって、太陽の光のスペクトルをできるだけ広く使用し、1 日を通してさまざまな入射角からの光を吸収することが重要です。植物は長い進化の中でこの技術を完成させてきました。
バラの花のモデル
カールスルーエ工科大学 (KIT) の研究者が、より優れた太陽電池を開発するために自然に目を向けるのは十分な理由です。適切なモデルを探していたところ、特に洗練された構造であるバラの花びらの表皮を見つけました。それは、ランダムに配置されたナノ構造によってさらにリブが形成された、高密度に詰め込まれた微細構造の無秩序な領域で構成されます。
この天然特許の実際的な効果: 微細構造により太陽光の反射が最小限に抑えられます。これにより、色のコントラストがより強くなり、受粉の可能性が高まります。同時に、この表面はより多くの光を吸収するのに役立ちます。そして、研究者らが太陽電池に利用したいと考えたのはまさにこの効果です。
透明なポリマーでできた植物の表皮
より広い面積にわたって花の表皮の構造を正確に再現するために、研究者らは花びらを一種のテンプレートとして使用し、シリコンベースのポリマーであるポリジメチルシロキサンで作られた型に花びらを転写しました。次に、得られたネガ構造を光学接着剤に押し込み、UV 照射で硬化させました。
「この方法はシンプルかつ安価で、人工技術ではほとんど達成できない深さと密度の微細構造を作成します」とKITのGuillaume Gomard氏は報告しています。その結果、バラの花びらの表皮の透明なレプリカが完成しました。次に、これを使用して有機太陽電池の表面を「装飾」し、この微細構造が光出力、ひいては発電量に変化をもたらすかどうか、またどの程度変化するかを調べました。
バラの花びらの表皮を透明なレイヤーで再現。これは太陽電池の前面に組み込まれています。 (グラフィック: Guillaume Gomard/KIT)
ダブル効果
そして実際、バラからコピーされた表面は太陽電池にも利益をもたらします。研究者らの報告によると、微細構造コーティングにより、太陽電池の効率が従来型と比較して12パーセント向上したという。入射角が非常に浅い場合、効率の向上はさらに高くなります。
この効果は 2 つの要素に基づいています。1 つは、「ローズ構造」により、太陽電池表面に方向に依存しない非常に優れた反射防止効果が保証されることです。これにより、光の入射角がほぼ 80 度であっても、表面反射を 5% 未満に抑えることができます。一方、共焦点レーザー顕微鏡を用いた研究で示されたように、複製された表皮細胞のそれぞれはマイクロレンズとして機能します。マイクロレンズ効果は太陽電池内の光路を長くし、光と物質の相互作用を増加させ、光粒子が吸収される確率を高めます。
科学者によれば、この自然の特許をコピーする価値は間違いなくあります。特に植物の表面構造には、太陽電池にも利用できる多くの利点があります。 「私たちの方法は、他の植物種や他の太陽光発電技術にも適用できます」とゴマール氏は説明します。 「植物の表面は多機能であるため、将来的には、植物の複数の特性を一度に取り入れることが可能になる可能性があります。」
出典: カールスルーエ工科大学、専門記事: Advanced Optical Materials、doi: 10.1002/adom.201600046
