研究内容

 本クラスターの研究内容を、「創エネ」「省エネ」「畜エネ」に分けて紹介します。

創エネ

図2(a) NEDOプロジェクトの開発体制(拡大してご覧いただけます) 図2(b) 成果の一部である厚さ0.095mmの低コスト太陽電池セル

 再生可能エネルギーの実用化にとって、もっとも大きな課題は、既存技術に比べて大幅に高い発電コストにあります。我々はその低減を目指して、参画している(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託プロジェクトおよび(独)科学技術研究機構(JST)のCREST(戦略的創造研究推進事業)プロジェクトで、もっとも資源に余裕があり経済性に優れた、結晶シリコン太陽電池の研究を推進しています。

 図2(a)にNEDO極限結晶シリコン太陽電池プロジェクトの運営体制を示します。プロジェクトにおける本学の担当は結晶およびプロセスの評価であり、さらに豊田工業大学と協力して、共通基盤技術プラットフォームの役割を担い、プロジェクト運営を中心となって遂行しています。

 図2(b)は、プロジェクトの代表的な成果のひとつ、厚さ0.095㎜の超薄型太陽電池セルです。太陽電池セルの薄型化は、機械強度の劣化や発電に寄与する体積の減少などの困難を伴いますが、原料の節約による発電コストの低減効果が大きいことが知られています。さらに、原料、製造、および設置コスト当たりの発電量の増加によるコスト低減効果は、面積当たりの発電効率の向上によって達成されます。太陽電池の場合、発電効率は面積当たりの照射太陽光エネルギーに対する、電力エネルギーへの変換効率で表現されます。
 我々はプロジェクトメンバーとともに、15年もの長きにわたり破られていなかった、結晶シリコン太陽電池の世界最高変換効率25%を上回る成果を得ました。さらに、変換効率を26%超に高めるとともに、太陽電池パネルに組立後の変換効率の低下を可能な限り抑制し、信頼性物理の手法を用いて長寿命化を確立することで現在の基幹電力の発電コストに対応する7円/kWhを達成するための、次期プロジェクトを提案中です。次期はさらに多くの参加機関を得て、次世代エネルギーの主役となり得るコストと性能の達成を目標とします。

省エネ

 省エネルギー技術の普及は、もっとも環境性能に優れた再生可能エネルギーと同等以上の効果をもたらすというのが、我々が次世代パワーエレクトロニクスコンソーシアム(NPERC-J)で提唱する〝ネガワットコスト〞の概念です。本学はこれまでに、STARC(半導体理工学研究センター)との共同研究や科学研究費補助金を得て、エレクトロニクスの高性能化による省エネルギー技術の開発を行ってきました。特に、シリコン結晶に歪を加えることで、電子デバイスの高性能化と低消費電力化を達成する歪シリコン技術では、第一人者としての評価を得ています。

 今後は、伝統的なパワーエレクトロニクスにICTの果実を取り込むことで、電力変換デバイスの高効率化などにも貢献すべく、民間企業15社と20を超える学術機関が参加しているNPERC-Jの準備委員会に加わり、早期のコンソーシアム立ち上げに向けて作業を行っています。NPERC-Jでは、新しい概念であるエネルギーインターネットの実現を通じて、電力消費の画期的な効率改善に貢献します。キーデバイスとなる、新世代IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の開発に、結晶成長およびプロセス開発の評価で参加する予定です。

畜エネ

図3 グルコースを用いた水素貯蔵の提案

 本クラスターでは、太陽電池で発電した電力を用いて水を電気分解し、発生した水素を貯蔵する方法を提案します。貯蔵した水素は必要なときに電気分解の逆反応で電力に変換し(燃料電池)利用します。本研究では、安全で無害かつ低コストで大量生産が可能な水素吸着材料を探索し、水素の着脱を実証します。計算機化学による化学物質の設計と合成、実験による検証を繰り返します。現在図3に示す天然由来の分子( グルコース)を最初の候補として、水素着脱(可逆反応)の可能性を実証する実験に取り組んでいます。

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