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東北大学技術紹介！発電効率を落とさず高い電力密度を可能にする積層技術
燃料電池は、環境調和型エネルギーとして注目され、様々な形式が研究・開発されている。エネルギー効率の観点から固体酸化物型燃料電池が注目されている。 複数セルの固体酸化物形燃料電池は、燃料及び空気を同じ方向からそれぞれのセルのアノード及びカソードに分けて供給するため、燃料供給装置及び空気供給装置がそれぞれ必要になる。さらに、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質をアノードとカソードとで挟んだ構造であるため、接近したアノード及びカソードにそれぞれ別個に燃料と空気とを供給するためには、燃料及び空気の供給系統が複雑になり、小型化が困難であるという課題があった。 本発明は、電極層の構造を工夫したものである。燃料及び空気の出入りをそれぞれ分離することで、スムースな流れを実現し、発電効率の向上が期待できる。
遷移金属ダイカルコゲナイドを用いた太陽電池セル
環境調和型の太陽電池として、軽く、透明でフレキシブルな太陽電池が求められている。しかしながらこの3点を同時に満たす技術は、未だ報告されていない。一方で上記を満たす候補として、遷移金属ダイカルコゲナイド(Transition Metal Dichalcogenide:TMD)のような半導体材料を用いた透明太陽電池が挙げられるが、TMDを用いた透明太陽電池は、ある一定の面積で発電量が飽和してしまい、大面積化が難しい、という課題を有していた。本発明はTMDを用いた軽く、透明、フレキシブルな光電変換デバイスに関する技術であり、さらに発明者の工夫により大面積化を可能とした透明太陽電池の提供を可能とする技術である。
安全、低温成膜、不純物を含まない硫化技術を開発(硫黄プラズマ)、同手法でn型SnS薄膜とそれを用いた太陽電池を開発
SnS(硫化スズ)を用いた薄膜太陽電池は以下特徴がある ・ Cd、Teのような有害元素を含まない ・ 安価な元素(Sn及びS)のみで構成される (原料コストはシリコン系の1/7、CdTeの1/2、CIGSの1/14) ・ 2-3μmの厚さで光吸収が可能(シリコン系~500μm) ・ ホモp-n接合で変換効率25.3%が実現できると報告されている しかしながら高効率のホモp-n接合を有するSnS太陽電池を実現する ためには、技術的に作製出来なかったn型のSnS薄膜の実現が必要であった。 本発明は今まで作製出来なかったn型SnS薄膜を硫黄プラズマを用いた 新規硫化技術を用いて世界で初めて実現した。このn型SnS薄膜を用いる ことで今後ホモ接合のSnS太陽電池を実現することが期待される。
環境に優しい窒化物半導体から構成される高効率太陽電池
窒化物半導体InGaAlNは太陽光スペクトル全域をほぼカバーでき、かつ、その構成元素も環境に優しい。窒化物半導体には従来からある半導体とは異なり格子整合する基板が存在しないため、結晶中に多くの欠陥を有する。太陽電池においては、フォトキャリを効率良く引き出す必要がある。この方策として、結晶中に自然発生している分極電界を利用する素子構造を提案している。本構造の実現のためには、結晶の極性（薄膜結晶成長方向に沿った構成原子の配列順）を制御した成長技術、特に窒素（N)極性成長技術が必須である。東北大では、このN極性成長に世界でいち早く成功し、N極性太陽電池を作製している。Ga極性太陽電池と比較して、フォトキャリの引き出し効率が8倍以上大きくなることを実験検証している。
燃料電池・二次電池・半導体成膜等の開発に活かす大規模数値シミュレーション
【燃料電池】 高効率・高耐久・低コストの燃料電池システム構築には、電池内部におけるプロトン、酸素、水などの輸送メカニズムを解明し、最適なシステム設計が必要です。ナノ・マイクロスケールの 流動現象を解析し、各部材における構造特性と輸送メカニズムの相関を明らかにすることで、PEFC性能向上へ活用が期待されています。 【二次電池】 エネルギー需要の増大と環境問題の深刻化から、充電、放電がともに可能でCO2や窒素酸化物を排出しない二次電池が注目されています。液系および全固体リチウムイオン電池 内部における、電解質内のイオンの流れなど、ナノ・マイクロスケールの流動現象解析の実績があります。 【半導体】 半導体製造の成膜工程では膜厚誤差±0.5Åという原子層レベルの制御が求められています。従来、精密な薄膜を形成するためには膨大な実験データを最適化する必要がありましたが、徳増研究室では数値シミュレーションによりメカニズムを解明し、最適な成膜条件探索を行います。
長期保管が可能な、折り畳める電池用シート
金属極（負極）／電解質／空気極（正極）で構成される金属空気電池は、他の電池に比べて軽量であるというメリットがあり、補聴器用の電源として実用化されている。一方で、電解質との接触に起因する金属極の劣化や、他の電池と比較して低電圧であることが課題として指摘されていた。本発明は、上記の課題を解決する新形態の金属空気電池に関するものである。本電池は、シート上に複数の金属極、電解質、空気極を配列し、シートを折り畳むことにより金属極／電解質／空気極の積層体が複数形成される、「折り畳み式金属空気電池」である。シートを折り畳むことで電池として機能するため、不使用時には電解質と金属極が接触せず、劣化を防ぐことができる。また、右図は、積層体のセル数を増やしたときの電圧の測定結果である。折り紙の要領でセルを複数積み重ねることにより、金属空気電池の低電圧性の問題も解決できる。本電池は従来課題を解決し、さらに折り畳み式という新たな形態であることから、下記用途等での実用化が期待される。
低コスト・高起電力・大電流密度なレドックスフロー電池
再生可能エネルギーは気候などにより発電量が大きく変化するため、電力安定供給の目的で蓄電池と組み合わせての利用が望ましい。中でもイオンの酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池(RFB)は、不燃性ゆえ安全性が高い点、電解液や電極がほとんど劣化しないため耐久性が高く、ランニングコストが抑えられる点が評価されており、バナジウムRFBが実用化されている。しかし近年、活物質であるバナジウムの資源価格が高騰し、イニシャルコストが高くなることが問題である。 本発明では正極室・負極室共に活物質としてチタンのみを用いることで格段にイニシャルコストを低減できる。チタンとマンガンを組み合わせたRFBに関する既存技術もあるが、正極室と負極室に異なる元素を用いることで原理的にコンタミを起こすリスクがあり、電池の早期劣化が予想され、この点において本発明に優位性があると考える。また本発明は従来のバナジウムイオンRFBと比較して、起電力が高く、取り出せる電流密度も格段に大きいことから、より高効率なRFBの実現が期待できる。
