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光をむだなく電気にかえる新しい太陽電池の研究をしています。
● 乾電池は電気の貯金箱 太陽電池はどのようなしくみで光を電気にかえるのでしょうか。それを説 光をむだなく電気にかえる 新しい太陽電池の研究をしています。 かん しょうかい 明する前にまず、身近な乾電池のしくみから紹介しましょう。 乾電池に導線と豆電球をつなぐと、電流が流れて豆電球が光ります。乾電 池の中には、外に出て豆電球を光らせたりモーターを回すなどの仕事をする つぶ ことができる「電子」という粒 が入っています。その電子の流れが電流です。 外に出て仕事をすることが どうやってむだをなくすの？ できる電子を、ここでは“起 乾電池のしくみ よ きた電子”と呼ぶことにしま しょう。起きた電子は、外に たが 電子が互いに手をつないでいる物質で起きる ふ し ぎ 不思議な現象を利用します。 かわ さき まさし 川﨑雅司 そうはつ 博士 創 発 物性科学研究センター 副センター長 きょう そ う か ん か い め ん 強 相 関 界 面 研究グループ グループディレクター ねむ 出て仕事をしたあと、“眠 っ もど た電子”となって電池に戻っ 〈乾電池〉 てきます。 乾電池は、起きた電子がた つ くさん詰まった電気の貯金箱 のようなものです。でも、起 きた電子を使い切ると眠った 電子だけとなり、乾電池が切 ● エネルギー問題や地球温暖化の解決に役立つ太陽電池 れた状態になります。貯金箱 みなさんは理科の授業で、光を電気にかえる太陽電池（光電池）を使った のコインをすべて使い切って ことがありますよね。太陽電池は家の屋根の上など、いろいろなところで使 しまった状態です。 起きた 電子 外に出て仕事をすることができる「起きた電子」が たくさんたまっています。仕事をして戻ってきた 眠った電子は、二度と目覚めることはありません。 充電池のしくみ き 一方、ゲーム機やスマート われています。 し げん 太陽電池は、石炭や石油などの限りあるエネルギー資 源 を使わずに、地球 ふ に降 り注ぐ太陽の光で発電することができます。また、発電するときに、地 おん だん フ ォ ン な ど は、 電 池 が 切 れ 起きた電子に 変身 〈 充電池 〉 ても充電すると再び使える ようになりますね。中には充 エネルギー問題や地球温暖化の解決に役立つと期待されています。 電池が入っていて、一度仕事 しかし今の太陽電池は、光のエネルギーの一部しか電気にかえることがで をして戻ってきた眠った電 きません。光のエネルギーの多くがむだになっているのです。 子を、電気のエネルギーで目 め ざ ふたた 私たちは、光のエネルギーをむだなく電気にかえる新しい太陽電池の研究 覚めさせて、再び起きた電子 をしています。それが実現できれば、エネルギー問題や地球温暖化の解決に に変身させることができる 大いに役立つはずです。 のです。 1 2 電気の エネルギー じゅう でん 球温 暖 化の原因となる二酸化炭素などを出しません。そのため太陽電池は、 わたし 豆電球 眠った 電子 充電池は、一度仕事をして戻ってきた眠った電子 を、電気のエネルギーで目覚めさせ、再び起きた 電子に変身させて仕事をさせることができます。 3 2 ● 光で眠った電子を目覚めさせる太陽電池 光の粒と同じように、 さて、いよいよ太陽電池のしくみです。太陽電池には最初から起きた電子 仕事をする起きた電子に ねむ じゅう がたまっているわけではありません。眠 った電子だけです。充 電池は電気の も、いろいろな価値（エ エネルギーで眠った電子を起きた電子に変身させますが、太陽電池は光のエ ネルギー）のものがあり め ざ つつ ネルギーで目覚めさせるのです。 かん ます。よく使う筒 型の乾 太陽電池のしくみ 光のエネルギー 〈 太陽電池〉 こうしてできた起きた 電池を見ると「1.5V（ボ 電子は太陽電池の外に出 ルト）」と書いてありま ていき、電流となって仕 す。その中には150円の 事 を し ま す。 そ し て 仕 価値の起きた電子がた 事をすると電子は眠った ま っ て い て、 そ れ が 外 状態となり、太陽電池へ に出ていくと電子1個が 太陽の光 光子 紫 紫外線 赤 300円 （3eV） 200円 （2eV） 赤外線 100円 （1eV） 光のエネルギー 高い 低い 太陽に光には、紫から赤までの目に見える光以外に し がい せき がい も、紫 外 線や赤 外 線などが混じっています。赤外線 の光の粒は100円（1eV）、目に見えるだいだい色は 戻 ってきます。太陽電池 150 円 分 の 仕 事 を す る 200円（2eV）、紫は300円（3eV）といった価値（エ は、光が当たっている限 よ、という意味です。乾 ばれています。 り、眠った電子を起きた 電池は電気の貯金箱だと ※eVはエネルギーの単位で、エレクトロンボルトと読みます。 電子に変身させて電流を いいましたが、このタイ 流すことができます。つ プの乾電池に入っているコインはすべて 150円で、100円や200円のコイン まり、光で電気をつくり はありません。 だし太陽電池は、充電池のように、起きた電子をため 続けることができるので 太陽電池の中にできる起きた電子にも価値があり、それは太陽電池をつく ておくことはできません。 す。 る材料によって異なります。例えば、光を当てると100円の起きた電子がで もど 起きた電子に変身 太陽電池では、眠った電子を光のエネルギーで起きた 電子に変身させて、仕事をさせることができます。た ちが こう し よ ネルギー）の違 いがあります。光の粒は「光 子 」と呼 きる太陽電池では、50円や150円の起きた電子はできません。 ● おつりがむだになる今の太陽電池 そこに100円の光の粒1個が当たると、100円の起きた電子1個をつくるこ 今の太陽電池は、太陽の光のエネルギーの多くがむだになっています。そ とができます。しかし300円の光の粒1個が当たっても、100円の起きた電 れはなぜでしょうか。 子が1個できるだけです。300−100＝200円のおつりはどこに行ってしま にじ まず太陽の光について説明しましょう。みなさんは虹 を見たことがあるで あま つぶ わた うのでしょう。眠っている別の電子に渡 すことができないので、その200円 しょう。太陽の光が空気中の雨 粒 などに当たると、色ごとに分かれて7色の のおつり（エネルギー）は熱となって消えてしまうのです。 虹として見えます。太陽の光には、いろいろな色の光が含まれているのです。 おつりを使えないことが、今の太陽電池で太陽の光のエネルギーの多くが 実は、光はごく小さな粒からできています。そして、太陽の光には、赤や むだになってしまう理由です（次のページのイラスト）。 ふく むらさき 黄、紫 などさまざまな色の光の粒が混ざっています。色によって光の粒のエ こと ネルギーは異 なります。赤い粒はエネルギーが低く、紫はエネルギーが高い か ち ● おつりを手渡して使える新しい太陽電池 わたし のです。つまり太陽の光には、100円や300円など、いろいろな価 値（エネ おつりがむだになってしまうなんて、もったいないですね。私 たちはおつ ルギー）の光の粒が混じっています。 りをむだにしないで使えるように、300円の光の粒1個で、100円の起きた 4 3 5 4 光のエネルギーの多くが むだになる今の太陽電池 300円の光の粒 〈 今の太陽電池 〉 光のエネルギーをむだにしない 新しい太陽電池 300円の光の粒 〈 新しい太陽電池 〉 電子が互いに手を つないでいる 200円のおつりを手渡す 200円のおつりは熱となって消える 100円の起きた電子が1個しかできない 100円のおつりを手渡す おつりを手渡すことで100円の起きた電子が3個できる 300円の光の粒が当たっても100円の起きた電子が1個しかできず、200円のおつりは熱と 電子が互いに手をつないだ材料は、おつりを隣の電子へ手渡すことができるので、光のエ なって消えてしまい、むだになります。 ネルギーがむだになりません。 今の太陽電池の材料は、シリコンなどからできていて、電子は手をつないでいません。 互いに知らんぷりで無関係。それでは、おつりを手渡すことができません。 せん もん 電子が3個できる太陽電池ができたらいいなと考えました。 きょうそう かん けい 電子が互いに手をつないだ材料は、専 門 的には「強 相 関 電子系 」といいます。身の回り じ しゃく の磁 石 も、強相関電子系の一種です。 たが そこで、電子が互 いに手をつないだ材料に注目しました。この材料なら、 つぶ 300 円の光の粒 1 個が当たると、まず 100 円の起きた電子が 1 個でき、余っ 円の起きた電子ができる太陽電池をつくることをめざしています。そうすれ た 200 円のおつりは隣 の電子へ手 渡 されます。するとその電子は 100 円を ば、太陽の光に含 まれる100円に満たない光の粒もむだなく使えるし、300 使って変身します。そして残りの100円のおつりを、さらに隣の電子に手渡 円の光の粒からは50円の起きた電子を6個つくることができます。350円の して、その電子も変身します。こうして 100 円の起きた電子が 3 個できるは 光の粒なら7個できて、むだになることがありません。 となり て わた ずです。 ● おつりも使える太陽電池を実際につくる わたし ふく ● 不思議の向こうにおもしろさが ふ 電子が互いに手をつないでおつりを手渡すことができるなんて、とても不 し ぎ 私 たちは現在、おつりもむだなく使える新しい太陽電池を実際につくる実 思 議 ですね。電子が互いに手をつないだ材料では、ほかにもいろいろと不思 験を進めています。 議な現象が起きます。私たちは、まだ知られていない新しい現象を見つける 電子が互いに手をつないだ材料にも、いろいろな種類があります。いろい 実験も行っています。そして、そのような新しい現象を利用して、電力をほ ろな種類のものを使って、うまくいくかどうか試しました。そして 2014年、 とんど使わないメモリーやコンピューターをつくる研究も進めています。そ ある材料を使うと、光の粒1個から起きた電子が1個以上できているらしいこ れらも、エネルギー問題の解決に大きく役立つはずです。 とがわかりました。おつりを隣の電子に手渡しているらしいのです。 みなさんも、身の回りで不思議だな？ と思うことがあるでしょう。そう 私たちの目標は、まず 300円の光の粒から100円の起きた電子が3個でき 思ったら、そのしくみを学校の先生に聞いたり本で調べたりしてみてくださ ることを証明することです。さらに、100円ではなく50円の光の粒で、50 い。きっとおもしろい自然のしくみに出会えるはずです。 （文：立山 晃／フォトンクリエイト イラスト・デザイン：岩崎邦好デザイン事務所） 5 6 7 6