色素増感太陽電池 川村 康文
大気中へ大量の二酸化炭素を放出してきたため，地球が温暖化し問題となっている。このため二酸化炭素を排出量の削減が求められている。火力発電所では，化石燃料を利用して発電を行ってきたため，膨大な二酸化炭素が放出され続けている。そこで，化石燃料を利用しない発電が求められている。その方法の１つに，太陽電池がある。
(1) 色素増感太陽電池とは
色素増感太陽電池は，スイスのグレッツェルらによって開発された。このタイプの太陽電池の発電原理は，太陽の光からエネルギーを取り出す植物の光合成に似ているので，光合成型太陽電池とも呼ばれている。主な材料は，電気伝導性透明電極，二酸化チタン，有機色素，ヨウ素溶液である。これらの材料の多くは，日常生活で利用されているものが多い。例えば二酸化チタンは化粧品や白色顔料としても使われ，ヨウ素溶液はうがい薬に利用されている。太陽の光を吸収する色素には，ハイビスカス，アメリカンチェリー，紫キャベツなどの天然色素が用いられる。このタイプの太陽電池は，これらの材料を用いて安価で，しかも特別な装置を使うことなく簡単に作ることができ，環境への悪影響が少ないという特徴を持っている。
色素増感太陽電池の発電原理は，以下に示すとおりである。
マイナス極には，電気伝導性ガラスに酸化物半導体である二酸化チタンを多孔質状態にしてコーティングする。プラス極には，電気伝導性ガラスに黒鉛や白金をコーティングする。電解質溶液には，ヨウ素／ヨウ化物の混合溶液を使う。二酸化チタンは太陽光をわずかしか吸収できないため，太陽の光をうまく吸収できる色素を二酸化チタンの表面にぬる必要がある。この色素の部分で光エネルギーから電気エネルギーへの変換が行われ，二酸化チタンを通って電流がながれ電池として働く。
図 色素増感太陽電池の原理図
色素増感太陽電池では，マイナス極にコーティングする二酸化チタンの状態を多孔質な状態とすることが重要である。二酸化チタンを多孔質化させると，二酸化チタンの表面積を大きくすることができる。これにより，より多くの色素を入れることが可能になり，発電量をあげることができる。
色素増感太陽電池は，あまり電力を必要としない電卓や腕時計など，従来の屋内用の太陽電池の代替品としての可能性が探求されている。現在は，シリコン型小型太陽電池が使われているが，コストの面や環境への配慮を考えると，安価で環境負荷の低い色素増感太陽電池の利用が考えられる。また，電気伝導性ガラスの代わりに，透明な電気伝導性プラスティック板を用いて製造することができると，軽くて持ち運びやすい製品の製造が可能になるといわれている。さらに，このタイプの太陽電池は，高価な精密装置による生産設備がなくても作ることができるので，僻地での製造も可能である。その意味でも，僻地用での電源に適しているといえる。
このように注目を集めている色素増感太陽電池であるが，現段階では，長期間の安定性に欠け発電効率が低いため，実用化に向けて問題は山積みである。しかし，エネルギー・環境問題が深刻な状況において，また人と自然との共生という観点からも，このタイプの太陽光発電は重要な技術である。
またシリコン型太陽電池の場合は，教育教材に用いる場合にも，最初から完成した太陽電池として与えられ，太陽電池を用いて何か工作をしてみるような授業に限られる。しかし，色素増感太陽電池の場合は，児童・生徒にも太陽電池そのものの製作が可能である。そのため，先端科学の分野で研究されているものを，自分たちで実際に作るという経験を通して，科学技術への興味・関心を高めることができる。
これまで，小学生の科学実験教室，高校生の授業で，色素増感太陽電池の工作及び発電実験を行ってきた。これらの経験をふまえて，本研究では，授業計画案も提案する。
(2) 色素増感太陽電池の製作手順
1)材料や準備物
電気伝導性ガラス２枚，二酸化チタンの粉末，酢酸，植物色素（ハイビスカス，アメリカンチェリー，紫キャベツなど），黒鉛（鉛筆の芯など），クリップ２個，ヨウ素液，カセットコンロ（ガスバーナ），ガラス板はさみ，ペトリ皿，小ボトル，はけ，電子メロディー，太陽電池モータ，テスター
なお火気を用いるため，小学生の場合は親子同伴で行うなどの配慮が必要である。
2)工作
①二酸化チタン粉末を酢酸水溶液あるいは希塩酸で練って，ペースト状にする。
②ペースト状になった二酸化チタンを電気伝導性ガラスにぬる。
③二酸化チタンをぬった電気伝導性ガラスをカセットコンロやガスバーナなどであぶり，ガラス板の上で焼きかためて，ガラスにコーティングする。
④このガラス板を，植物色素を抽出した液に浸し，染色する。
⑤二酸化チタンの膜にこい赤紫色がついたら液から取りだして，水洗いしたあと乾燥させる。
⑥もう１枚の電気伝導性ガラスには鉛筆の芯などをこすりつけて，黒鉛をコーティングする。
⑦赤紫色に染まった二酸化チタンの膜に，電解液としてのヨウ素溶液を数滴たらす。
⑧その上に，もう１枚のガラス板を，黒鉛をコーティングした面が二酸化チタンの膜と重なるように下向きにして置き，クリップではさんで固定する。
⑨この電池に導線をつなぐ。
⑩二酸化チタンをコーティングしたガラスの方から光を当てると電気が発生する。電子メロディーなど発電を確認する。
(3) 色素増感太陽電池を教材として用いた授業展開の例
色素増感太陽電池は，学校教育のみならず，社会教育の現場での利用が考えられる。社会教育の場では，サイエンスＥネットなどのボランティア団体が，実験教室を行うさいの実験メニューとして用いることが可能である。色素増感太陽電池の実験は，これまでにも，サイエンスＥネットの科学実験教室では何度も行われている。 http://www2.hamajima.co.jp/~elegance/se-net/jikken2000819.html
一方高等学校の物理では，エネルギー学習の教材として明確に位置づけられ，高等学校理科用文部科学省検定済教科書物理Ⅰにも採択されている。