UCLAのエンジニアが温室に半透明のソーラールーフを設置したところ、ルーフと植物の両方に予想外のことが起こったという。
UCLAサムエリ工学部の研究者は、植物が必要とする光を遮ることなく、太陽光からエネルギーを吸収できる半透明の有機太陽電池パネルを設計したところ、植物が従来のガラス屋根の温室よりも生育が良かったのだ。
『Nature Sustainability』に掲載された、「Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics」と題された研究において、研究チームの有機太陽電池は、従来の太陽電池デバイスで使用されている無機物質の代わりに、炭素ベースの物質に依存した太陽電池を考案している。
ソーラー部分
L-グルタチオンは、グルタミン、システイン、グリシンの3つのアミノ酸からなるトリペプチド分子だ。L-グルタチオンは、人体に自然に存在する抗酸化物質で、健康維持のための栄養補助食品として市販されている。
研究チームは、L-グルタチオンを添加することで、太陽電池の寿命が延び、効率が向上し、小さなドールハウスほどの大きさの温室試作品でも植物に太陽光が届くことを確認した。
リードサイエンティストのYang Yang氏はこう説明する。「有機材料は、その光吸収の選択性から農業用に適しています。しかし、これまで普及を阻んできた主な欠点は、安定性に欠けることでした」
有機系太陽電池は、太陽光によって酸化して電子が失われるため、無機系太陽電池よりも劣化が早い傾向にある。しかし、L-グルタチオン層を追加することで、太陽電池の他の材料が酸化するのを防げることが分かったのだ。研究結果によると、この結果、有機太陽電池は1,000時間の連続使用で80%以上の効率を維持することが出来たという。
プラント部分
研究者たちは、小麦、緑豆、ブロッコリーなどの作物の成長を、2つの異なる実験で追跡した。一つは、温室に無機太陽電池を分割した透明なガラス屋根を使用し、もう一つは、屋根全体を半透明の有機太陽電池で構成した。
有機ソーラールーフを設置した温室内の作物は、通常の温室内の作物よりも大きく成長した。これは、L-グルタチオン層が植物の成長を阻害する紫外線と、温室を過熱させる赤外線の両方を遮断し、植物がより多くの水を必要とするようにしたためだと科学者は考えている。
筆頭著者であるYepin Zhao氏は次のように述べている。「有機太陽電池が従来のガラス屋根の温室を凌駕するとは思っていなかったのです。しかし、何度も実験を繰り返しても結果は同じで、さらに調査・分析を進めた結果、植物の成長には当初考えていたほど多くの日光が必要ではないことがわかりました。特にカリフォルニアのような日照時間が長い気候では、日光を浴びすぎるとかえって害になることがあるのです」
研究チームは現在、UCLAに有機太陽電池の工業用生産の規模拡大を目指すスタートアップを設立しており、将来的には有機太陽電池の屋根を持つ温室の商品化を目指しているそうだ。
論文
- Nature Sustainability: Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics
参考文献
- UCLA: UCLA Engineers Design Solar Roofs to Harvest Energy for Greenhouses
- via New Atlas: Semi-transparent solar cells boost growth of greenhouse plants
研究の要旨
半透過型有機薄膜太陽電池（OPV）は、太陽エネルギー収集技術の一つで、環境に優しい温室の屋上エネルギー供給など、有望な用途がある。しかし、OPVの動作安定性が低いため、常時稼働する設備としての実現には課題がある。本論文では、半透過型OPVの還元的中間膜構造について報告し、連続的な太陽光照射下でのOPVの動作安定性を向上させる。この中間膜は、太陽光下での電子輸送層からのラジカル発生を効果的に抑制し、運転中の有機光活性層の構造分解を防止する。また、電荷キャリアの再結合サイトとなる欠陥は、還元性分子の電子供与性官能基により無効化され、光起電力性能が向上する。半透明OPVは、電力変換効率13.5%、平均可視光透過率21.5%を示し、連続照明下での動作安定性（1,008時間後の保持率84.8%）も顕著に向上した。温室の結果、半透過型OPVルーフは作物の生存率と生育に効果があり、食料とエネルギーの課題に取り組む上で、このアプローチの重要性を示している。
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