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2023年秋号

研究室でねほりはほり

大発见の键は〈现场主义〉にあり。薄くて曲げられる太阳电池への热い期待

若宫淳志
化学研究所 教授

研究室の看板は、教授就任时に卒业生有志から「どこの研究室より大きな看板を！」と赠られたもの。

気候変动の原因となる温室効果ガスの排出、いずれやってくる化石燃料の枯渇などの课题に直面するエネルギー?资源问题。化石燃料に代わる新たなエネルギーとして期待されるのが、太阳光をエネルギー源とするペロブスカイト太阳电池だ。薄くて軽くて、曲げられて、曇りの日や朝夕の弱い光でも発电可能。凸凹した斜面、灾害时のテント、スマートフォンや腕时计など、どんなものでも电源として利用できる可能性が期待されている。「どこでも电源?」を実现し、未来のエネルギー社会の変革を目指す若宫教授に、研究の现在地を讯いた。

地球规模の気候変动问题を解决するべく、世界的に动きが加速するカーボンニュートラル。実现の主轴となるのが、太阳光や风力などを利用した再生可能エネルギーだ。日本では、2050年に使用电力の50%を再生可能エネルギーにすることを目指し、様々な取り组みが推进されている。

なかでも、大きな期待が寄せられるのがペロブスカイト太阳电池。「フィルムや薄いガラスの上に、ペロブスカイト结晶构造を持つ化合物を涂布した太阳电池で、薄くて軽くて、ぐにゃりと曲げることもできる。さらに、太阳光をエネルギーに変换する発电効率も高いのです」。そう语るのは、第一线で研究を进める若宫教授だ。

再生可能エネルギーの普及に向けて、日本各地に大型のシリコン型太阳电池が设置されているが、もともと日本は平地の少ない地形。既に国内の适地にはほぼ设置済みだという。「その他の広い场所といえば、工场の屋根やビルの壁面、凸凹した斜面など。2022年の日本の再エネ比率は约20%で、目标の半数に到达するにはこうした场所をどう利用するかが焦点。薄くて曲げられるペロブスカイト太阳电池は、その突破口になるはずです」。

第二の研究人生のはじまりに掲げた目标

若宫教授と太阳电池との関わりは、2010年に遡る。それまで勤めていた名古屋大学を离れ、母校である京都大学への着任が决まっていた。「心机一転、新たな课题に挑戦したかったのです。このときの私は35歳。残り30年の研究人生をどんな思いで过ごせれば、悔いなく终えられるだろうか。そう考えたとき、〈人のためになることをしたい〉と思ったのですね」。

头をよぎったのはエネルギー?资源问题。若宫教授が専门とする有机化学は、材料の合成时に石炭や石油由来の试薬を使うことが多い。「将来、化石燃料が枯渇すれば、『有机化学ってなに？』と、この分野が忘れられる世界になるかもしれません。そうした面からも、石油に代わるエネルギーへの贡献は、私が取り组むべき仕事だと」。

そうして次世代太阳电池の研究を进めていた2012年に登场したのが、ペロブスカイト太阳电池だった。材料を涂布してものの数十秒で膜ができあがる手早さに衝撃を受け、可能性を感じたという。「しかし、あまりに再现性が低かったのです。同じ人が同じ条件で作っても、同じ発电効率が得られない。ときには発电効率ゼロの电池ができることもあり、世界中の研究者が头を悩ませていました」。

当たり前を疑った先にたどり着いた発见

従来、电池材料の开発は无机化学の范畴。无机化学の世界では、高温での焼成が材料作製の主流で、液体を涂布するペロブスカイトはややイレギュラー。「一方で有机化学の分野は、液体を使う技术に长けています。空気に少し触れただけで性质の変わる、繊细な试料の扱いもお手のもの。有机化学の视点を持ち込んで、いろいろな条件で実験しました」。

键となったのは、基本材料であるヨウ化铅に含まれていた水分だった。「高纯度で不纯物がないはずのヨウ化铅を使っているのに、なぜか溶液に溶けきらなかった。一つひとつ原因を溃すように実験するなかで、有机化学の手法で脱水してみると、なんと试験管の中に水滴が现れたのです」。というのも、ヨウ化铅は主に无机化学で使われる材料。焼成が中心の无机化学の世界では、作製过程で蒸発する水分はあってないようなものだった。「ですから、水分は不纯物扱いをされず、纯度表记にも记载されないのです。『高纯度だから大丈夫』という前提を疑ったこと、そして分野が违う私たちの技术だからこその発见でした」。

脱水したヨウ化铅で作った电池は、当时のペロブスカイト太阳电池最大の発电効率である13%を実现。安定性もクリアした。「『これはすごい』と、竞争相手も含めた世界中の研究仲间に送りました。そのときのものすごい反响は忘れられません。今ではペロブスカイト太阳电池の标準材料です。特许を取得して、京都大学の知的财产として贡献しています」。

残す课题は电池の実用化?製品化

その后も、ペロブスカイト太阳电池の改良?改善につながる発见を重ねてきた若宫教授。「目指すゴールまでは、あと3割くらい。残すところは社会実装です」。2018年に京都大学の支援を受けて、大学时代の同级生だった加藤尚哉さんとともに、株式会社エネコートテクノロジーズを创业。大量生产に向けた製造スピードの改良など、実用化にあたっての课题を中心に、38名のスタッフが技术开発を推し进める。

実用化に向けて着実に歩むかたわら、大学では「〈クレイジー〉な研究を」と意気込む。「理屈で考えると、こじんまりとしたものにしかなりません。游び心を持って结果を眺めて、思いつきを试してみる。そうして生まれた新しい発见を、次のステップに连れていくのが私の役割です」。

そんな若宫教授が挑戦するのは「铅フリー」の材料作製。昨今、人体への影响を悬念して、ヨーロッパを中心に铅の使用や输入が规制されつつある。若宫教授のもとにも、「铅フリー」の太阳电池への要望が届くのだという。「私たちが使うのは 锡スズ。铅ほどの発电効率はまだ得られていませんが、难しいということは重要な课题だということ。挑戦する意义を感じます」。

大学教授と颁厂翱という二足の草鞋を履き、忙しい日々を送る若宫教授。しかし、どんなに忙しくても、ラボに足を运ぶ时间は惜しまない。「私は现场主义です。现象をこの目で见なければ、研究は始まりません」。実験の现场で生まれる「なぜだろう」を前に、谜をひも解く时间こそが、若宫教授にとって研究の醍醐味だ。「研究は思い通りにいきません。恩师の小松紘一先生から言われたのは『実験に失败はない』。仮説とは违う结果が出たのなら、それはそういう现象だと素直に受け取ることがスタート。现象を前に、材料や化合物と会话するのが実験化学です。この先もたくさんの予想外に出会えることが楽しみです」。