すごいですね、この「蓮の葉」は実際に光を集めて電気を生み出すことができるんですか？

制作：中国科学普及協会

プロデュース: ズオ・ラン、リー・シュエヤン

プロデューサー: 中国科学博覧会

スポットライトといえば、皆さんもよくご存知でしょう。私たちは子供の頃、みんな虫眼鏡で遊びました。私たちは虫眼鏡を回して太陽光を集中させました。集中した光点により高温が発生し、物体が発火する可能性もあります (子供は火遊びをしないでください)。

図1 拡大鏡の焦点合わせ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

同様に、チベット、青海、四川、雲南など日照量の多い中国の地域では、多くの家庭が凹型のソーラークッカーを使って太陽光を集め、お湯を沸かして調理しています。

図2 ソーラークッカー

（画像出典：著者作成）

実際、虫眼鏡を使用して太陽光を集中させる場合でも、凹面ソーラークッカーを使用して太陽光を集中させる場合でも、使用されているのは太陽光集中技術の一種、つまり幾何学的集中です。さらに、科学技術の発展に伴い、科学者は焦点合わせの新しい概念である「光焦点合わせ」を提案しました。前者は幾何光学の基本原理を利用して太陽光を収束させ、後者は光と物質の相互作用を利用します。

図3 異なる色の光る太陽光集光器

（画像出典：参考文献[2]）

光るのも集中する：遊ぶのはサイバーパンク

発光太陽光集光器は 1976 年に初めて提案されました。比較的単純な構造で広い面積にわたって太陽エネルギーを捕捉できる装置で、発光基がコーティングまたは埋め込まれた透明基板 (ガラス板など) で構成されています。基板に入射する太陽光子を吸収した後、発光基は新たな光子を放出します。基板と空気の屈折率の違いにより、約 75% の光子が全反射モードに入り、基板の端に導波されて端に取り付けられた太陽電池を励起し、光エネルギーを電気エネルギーに変換します。

集光効率が十分に高ければ、発光する太陽光集光器とその端にある少数の太陽電池を組み合わせることで、大面積の太陽電池全体として機能することができ、太陽光発電の生産能力のコストを大幅に削減できます。この完全透明または半透明の太陽光集光装置を建物の壁や窓に直接組み込むと、現在のエネルギーを消費する建物を太陽エネルギーを完全または完全に利用する建物に変えることができ、エネルギーを自給自足できる「ゼロエネルギースマートビル」を実現できます。

図4 太陽光集光器の動作原理図

（画像出典：著者作成）

それだけでなく、カラフルな集光器は建物の外壁やガラスの装飾としても使用でき、単調な街に明るい色彩を添えます。わあ、SF映画のサイバーパンク感を想像したんですか？

図5 さまざまな色の光る太陽光集光器で装飾された建築用ガラス

（画像出典：参考文献[2]）

しかし、従来の発光型太陽光集光器には多くの利点があるにもかかわらず、実際の応用においては依然として大きな課題に直面しています。

まず、従来の発光太陽光集光器は、発光体の凝集誘起消光効果と自己吸収損失によって制限されており、その結果、デバイスの内部光学効率は一般に 60% 未満になります。また、建物の外部に長期にわたって設置することを考慮すると、風雨による侵食や煙やほこりの付着により、集光効率と集光器の耐用年数がさらに低下します。

新しい発光グループ：この「蓮の葉」はただただ素晴らしい

上記の問題に対処するため、中国科学院大連化学物理研究所の呉開封教授の研究チームは、凝集誘起蛍光増強を発光団として持つ有機化合物（TPA-BT）を設計し、合成しました。従来の発光体の固体状態での量子収率は液体状態での量子収率よりも低いという特性とは対照的に、固体状態での量子収率は実際には液体状態よりも高く、つまり液体から固体に変化すると、発光がより強く明るくなります。

図6. TPA-BT分子の光学特性

（画像出典：参考文献[1]）

研究チームは、この発光体をポリジメチルシロキサン (PDMS) マトリックスに均一に組み込み、透明で澄んだ発光太陽光集光器を実現しました。凝集によって誘起される発光体の蛍光増強により、濃縮器はほぼ 100% の量子収率を示しました。

同時に、PDMS マトリックスによってもたらされる密閉効果により、この集光器は優れた光安定性を示し、屋外で 2 年以上使用した後でも 70% の量子収率を維持します。これは、この新しいタイプの発光太陽光集光器が実際の用途において長期間にわたって高効率の動作状態を維持できることを意味し、コストの削減と交換回数の削減に大きな意義があります。

図7 集光器の光学特性

(a) 濃縮器の吸収スペクトルと蛍光スペクトル。イラストは実際の写真です

(b) 溶液中および薄膜中のTPA-BTの時間分解蛍光スペクトル。

（c）集光器の光安定性試験

（画像出典：参考文献[1]）

濃縮器を自浄式にし、建物の外部に使用した場合に風雨による浸食や煙やほこりの付着を防ぐため、研究チームはバイオミメティック戦略を使用して、汚れることなく泥から現れる蓮の超疎水性自浄効果を濃縮器の表面に「移植」しました。これにより、濃縮器の表面は蓮の葉の表面構造に似た 2 次元の準周期的微小乳頭構造を持つようになり、超疎水性の自己洗浄効果も発揮します。

超疎水性材料の実験ビデオ

（動画出典：著者提供）

図8 発光太陽光集光器の疎水性特性

(a) 表面に微小乳頭構造を持つ発光太陽光集光器のヘリウムイオン顕微鏡画像

(b) 滑らかな表面と表面に微細乳頭構造を持つ発光太陽光集光器の接触角試験

（画像出典：参考文献[1]）

PDMS 材料の柔軟性と加工のしやすさにより、製造された発光太陽光集光器のサイズと形状を任意に変更することができ、発光太陽光集光器の応用シナリオが大幅に充実します。

図9. チームが開発した発光型太陽光集光装置

（画像出典：参考文献[1]）

この研究成果は、集光効率の低さ、風雨による侵食、煙や埃の付着など、実用化における太陽光集光器が直面する諸問題を見事に解決したと言える。ゼロエネルギースマートビルや「デュアルカーボン」目標の実現に重要な貢献を果たし、人類が直面する環境・エネルギー危機をある程度解決すると期待されています。

編集者：孫晨宇

参考文献:

[1] 李

[2] Debije MG、Verbunt PP C. 30年間の発光型太陽光集光器研究：建築環境のための太陽エネルギー[J]。先端エネルギー材料、2012年、2(1):12-35。

注: この論文の関連結果は、国際的に権威のあるジャーナル「Journal of Physical Chemistry Letters」に掲載されました。この研究の第一著者は中国科学院大連化学物理研究所のポスドク研究員である李雪洋氏であり、責任著者は大連化学物理研究所の研究員である呉開鋒氏である。この研究は中国国家自然科学基金およびその他のプロジェクトによって資金提供されました。