色素増感太陽電池の作成と教育への応用愛知県立愛知工業高等学校化学工業科 1 長谷川巧はじめにエネルギー問題は近年では当たり前のように取り上げられてはいるが、実際のところ生徒はあまり興味や関心が無いのが現状である。そこで、電卓など身近に使用しているものに使われている太陽電池を題材に選び生徒の興味を引けないかと考えた。導入するにあたり比較的簡単に自作出来る色素増感太陽電池に着目した。自作することにより、さらに生徒の興味を引きやすいと考えたからである。今回は色素増感太陽電池の製作を課題研究で実施し、各工程を実習にどのように取り入れるかを考察した。 2 3 研究目的 (1) なるべく学校にある材料や器具を活用し、実習導入を考察していく。 (2) 自作することで、ものづくりの精神を養い工業人としての成長を図る。色素増感太陽電池の材料 (1) 導電性膜付きガラスア導電性膜付きの種類 (ア) ＦＴＯ(Ｆluorine doped Ｔin Ｏxide)は抵抗値が高いが、熱による抵抗値増加が少ない。シリコン太陽電池に使われている。 (イ) ＩＴＯ(Ｉndium Ｔin Ｏxide)はＦＴＯよりも抵抗値が低いが、熱による抵抗値の増加が多い。主に液晶ディスプレイに使われている。イ選定色素増感太陽電池には一般的にＦＴＯが使用されているため、今回はＦＴＯとの違いを知るためにＩＴＯを使用することにした。(1500 円/10cm×10cm) (2) 酸化チタン光触媒性のあるアナターゼ型の酸化チタンを使用した。 (3) 色素発電効率を考えるとエオシン Y、クマリンなどの試薬を用いるのが一般的だが、身近にあるものを利用しようと考え、紅茶を使用した。紅茶の種類はアールグレイとピーチティーの２種類である。 (4) 電解液溶媒は炭酸プロピレンを用い、ヨウ素 0.05(mol/Ｌ)、ヨウ化リチウム 0.5(mol/Ｌ)の割合で混ぜたものを作成した。 4 用意する器具乳鉢、メンディングテープ、ガラス切りカッター、ホットプレート、ガスバーナー、クリップ、ガラス棒、超音波洗浄器、ボンド、テスター、ガラス切りカッターのみ新たに購入した。 5 電極の作成 (1) ア負極の製作導電性ガラスを 10cm×5cm に切り取り、アルコールで洗浄する。生徒は普段、ガラス専用カッターを使用していないので、うまく直線に切れない場合がある。一度、スライドガラス等で練習させて慣れさせてから導電性ガラスを切らせると失敗が少ない。ガラスは 1.1mm と非常に薄く割れやすいので生徒にその事を留意させる。イ酸化チタンを約 30wt％になるよう水を加え、できた溶液に対して 1％分のポリエチレングリコールを加え、乳鉢で混ぜる。図１に示すものが酸化チタンペーストである。酸化チタンペーストの撹拌は 30 分から 60 分ほど混ぜ続けるため、酸化チタンペーストは実習時間が少ない場合は事前に作っておく必要がある。ウテスターを使い、抵抗値を測定し導電面を確かめる。導電面にメンディングテープを 3 辺に約 3mm の幅に貼図1 酸化チタンペーストり、残りの１辺は約６mm 幅に貼る。その後、酸化チタンペーストをガラス棒で薄く散布する。酸化チタンペーストは散布直前に超音波洗浄器にかけて、粒子を分散させておく。メンディングテープは隙間が無いようにしっかりと貼らせる。散布はゆっくりとガラス棒を動かさないとムラができてしまうため、ゆっくりとやるように徹底させる。失敗を図2 ホットプレートで乾燥中してしまった場合はアルコールでまた洗浄すれば良い。エ散布後にすぐにテープを剥がし、図２のようにホットプレート(約 100 度)で乾燥する。ガスバーナーを使用してセラミック金網の上で焼成する。図３のように焼成する際、急激な温度変化によりガラスが割れてしまうので、十分に注意させたうえで、保護メガネの着用を義務付けさせる。また、ポリエチレングリコールが燃えて炎が発生するのでガラスを真上から覗図3 焼成中に割れたガラスき込まないように留意させるとともに、必ず立って実習を受けさせる。オ焼成後に酸化チタンを紅茶で染める。今回の実験では浸した瞬間に酸化チタンが剥がれてしまった。剥がれてしまった原因はＩＴＯが平滑なため、密着していなかったためと考えられる。よって、生徒の実習や実験にはＩＴＯは不向きだと言える。今回は駒込ピペットで、直接液体を酸化チタンが剥がれないようにゆっくりと垂らしながら染めさせた。 (2) 正極の製作負極と同じ大きさの導電性ガラスを切り取り、２B の鉛筆で導電面に黒鉛を全体に塗りつける。黒鉛を全体に塗らなくとも発電は可能なので、好きな絵を書かせても良い。その方が自作という実感が湧きやすく楽しく実習ができる。描く絵は乾燥時の待ち時間に考えさせるのが良いと考えられる。電極の作成にかかった時間は約 90 分ほどであった。酸化チタンペーストの作成を省くのも有効だが、多く発電できないが焼成の時間を削ることで作業時間の短縮につながる。 6 セルの製作 (1) 負極の導電面と正極の導電面を向かい合わせに貼り付ける。その際に負極の酸化チタンペーストが散布されて無い 6mm の幅の 1 辺が見えるようにずらして貼り付けダブルクリップで固定させる。貼り付けてからずらすと、酸化チタンペーストが剥がれてしまうので、6mm の幅が見えるように予めずらしてから貼り付けるように留意させる。 (2) 駒込ピペットでガラスの隙間から電解液を注入するし、はみ出た液体はふき取る。注入は少量で十分なため、多量に注入しないよう徹底させる。 (3) ボンドでガラスの隙間をすべて埋めて完成。中の電解液がボンドに触れてしまうと、電解液がボンドに染み込んでしまい、セルの電解液が無くなってしまうので、ボンドの色も変色してしまい見た目も悪くなってしまう。平らな場所に置かせてからボンドの注入を行うようにさせる。ボンドが硬化するまでは動かさない。図 4 のセルの製作は合計 110 分程度で完成することができ、ボンドの硬化時間を除けば、3 時間実習で行うこと図4 完成したセルが可能である。発電をその場で測定する場合は測定した後で行うこと。７測定結果図 5 に示すように、正極と負極にゼムクリップを付け、太陽光に当てテスターを用いて電圧と電流を測定した。 (1) 紅茶(アールグレイ)色素のセル約 0.035Ｖ・電圧 (2) ・電流約 0.2ｍＡ紅茶(ピーチティー)色素のセル約 0.025Ｖ・電圧・電流約 0.15ｍＡ測定はクリップで導電面を傷つけないように配慮させた。正確な測定結果を得るため同じ場所で測定させるようにした。 8 図4 まとめ測定中の様子今回の課題研究で色素増感太陽電池の製作を導入し、時間的には実習に取り入れることが可能であることを確認できたが、期待通りの出力電圧を得る事ことできなかった。この問題点は、酸化チタンや導電性ガラス、色素等を適正なものにすれば改善できるが、今回の実験よりもさらにコストが上がってしまうために現実的ではないと考えられる。「色素増感太陽電池の製作コストを下げること」、「適正な電圧を得るための材料を選定すること」の相反する 2 点が今後の課題として残ってしまった。来年度も研究できる機会があれば続けていきたいと考えている。最後に、実験に協力してくれた生徒ならびに本研究に援助していただいた先生方にこの場をお借りして御礼を申し上げます。＜参考文献＞若狭信次著「手作り太陽電池のすべて色素増感太陽電池を作ろう」 (パワー社)