2023年5月12日@新技術説明会

農業用ハウスに向けた波長選択型有機太陽電池の開発
大阪大学 産業科学研究所
家 裕隆
共同研究機関・大阪大学大学院・工学研究科、・公立諏訪東京理科大学・工学部、・大阪大学・社会技術共創研究センター
・大阪公立大学・農学研究科
1

有機太陽電池 （Organic Solar Cell：OSC）
プラスチック太陽電池

Konarka, Inc: www.pinterest.com/

軽量

Konarka, Inc:
http://nerej.com/.

Konarka, Inc:
http://www.nrc-cnrc.gc.ca/.

フレキシブル

Konarka, Inc.: 日経テクノロジー

Konarka, Inc:
http://nerej.com/.

デザイン性・意匠性

http://www.heliatek.com/2有機太陽電池の将来性
軽量、フレキシブル、塗布法、波長選択性、高い意匠性、高い安全性
エネルギー・ハーベスティングへ展開

創エネルギー領域へ展開

農地

国内農地面積… 約 45,000 km2

車

国内販売台数…

住宅ビル

住宅着工戸数… 約 1,000,000 戸/年
全建築物床面積 … 約 130 km2/年

無数のセンサー

約 5,000,000 台/年(～50 km2/年)

環境調和エネルギー源の開花 ・ 温室効果ガス大規模削減

ビッグデータAI

超スマート社会 (Society 5.0) の実現

7 エネルギーをみんなに、そしてクリーンに7 エネルギーをみんなに、そしてクリーンに13 気候変動に具体的な対策を

9 産業と技術革新の基礎をつくろう

3有機太陽電池
バルクヘテロジャンクション構造
cathode–np+anode
ドナー（p型半導体材料）
Sun Light

hnアクセプター（n型半導体材料）

e

LUMO
e

LUMO

P3HT

狭バンドギャップポリマー
h(ドナーーアクセプター型ポリマー)

e

PC71BM

hHOMO
HOMO

非フラーレン型分子

PTB74

有機太陽電池の活性層材料と発電効率の変遷

20Lin, Y. et al.
Adv. Mater. 2015, 27, 1170.
Zhao, W. et al.
Adv. Mater. 2016, 28, 4734.

1816Yuan, J. et al.

Joule. 2019, 3, 1140.
Liu, Q. et al.

Sci. Bull. 2020, 65, 272.

ドナー

発電効率 / %14計6283報

Zang, Y. et al.
Zhang, X. et al.
Adv. Mater. 2014, 26, 5708.
Adv. Mater. 2013, 25, 5791.

1210

シリコン型太陽電池(社会普及水準)に匹敵

D-A型ポリマー

864

社会実装に向けた課題

高性能材料の追求

結晶性ドナーBHJ 接合

計7045報非フラーレンアクセプター

202000アクセプター

2005

2010
発表年

耐久性材料の追求
大規模化に適した活性層材料の開拓

2015

2020

環境・生命に適合する材料の開拓
5

P3HTと組み合わせた非フラーレン型アクセプターの総説
J. Mater. Chem. A 2021, 9, 18857.

6農業分野における解決すべきエネルギーと食料の社会課題
エネルギー
国内の農林業分野で5,000万トンのGHG排出
燃料燃焼が約33%を占める

国内の食料自給率は37%
先進国で最低レベル

GHG：温室効果ガス

排泄物

土壌

食料燃料燃焼約5000万トン（CO2換算値）（2018年度）

37%

20202030 /年
国内食料自給率

発酵稲作

45%

農林水産省2020年

農林水産省2020年

GHG削減に向けた課題

農林水産分野からの課題

国内農業のエネルギー源の95%は化石燃料（重油、ガソリン、灯油）

安定な食料需給の確保

・化石燃料漬け・農耕地のインフラ設備が脆弱

・国内の低い食料自給率
・農作物輸入リスク✓ 農業用ハウスで使用する化石燃料の大幅削減✓ 農作物の収穫量の増加
社会課題の解決に貢献できる革新的技術が不可欠

7

従来技術とその問題点：ソーラーシェアリング
農地の上に背の高い架台と太陽光パネルを設置して行う太陽光発電（営農型太陽光発電）
国内農地：約430万ha(令和4年)の1%にシリコン太陽電池（300 W, 1.5 m2）を導入（日照6時間）→5160 億ｋWh
参考：国内の発電電力量：8635 億ｋWh (2021年)
872.7ha農林水産省より

・太陽光パネルの下で従来の収穫量が得られない・遮光率が高くても生育する特定作物が選ばれる傾向
・太陽光パネルの下で育成する品種に限界がある
・太陽光パネルが重いため、設置の架台が不可欠→大規模農地向け
農林水産省より8

新技術：農業用ハウスに向けた波長選択型有機太陽電池✓ 同一土地における発電と農業の完全両立を実現する技術✓ 再生利用可能エネルギーを活用した地産地消型エネルギーシステム

有機半導体の構造修飾で波長選択性の付与が可能

近赤外光

青、赤色光：農作物の生育に利用
緑色、近赤外光：発電に利用
発電

既存太陽電池の農業用途での課題
シリコン太陽電池→波長選択性無、重い、廃棄が困難

発電

農作物栽培

ペロブスカイト太陽電池→波長選択性無、有毒
廃棄が困難

波長選択型有機太陽電池の特徴
・約0.8 kg/m2と軽量なので、農業用ハウスに設置可能

・発電と農作物生育の波長帯域を分離することで、太陽エネルギーを効率的に利用・透過型で日陰による影響がないため、農地面積が確保可能
・波長選択光で農作物の単収がむしろ増加9波長選択型有機太陽電池が目指す未来社会の姿
国土を保全し、エネルギーと食料の両方の持続性を確保
社会課題：農業用ハウスに太陽電池の機能を付与したシステム
自然災害に強いエネルギー

農業用ハウスで発電

環境に優しいエネルギー，土地の有効利用

スマート農業の実現

食料の安定確保

都市農業の実現

栄養価の高い農作物
10従来技術との比較

独自の技術
ソーラーマッチング

従来技術：ソーラーシェアリング

シリコン太陽電池

波長選択型OPV

発電

発電

発電

農作物栽培

ソーラーシェアリングの課題

土地・大規模農地向けの設計思想
・都市での導入に不適

エネルギー ・売電が中心
農業

近赤外光

青、赤色光：農作物の生育
緑色、近赤外光：発電

発電

発電

農作物栽培

ソーラーマッチングの優位性

・農業用ハウスに設置可能
・農村と都市のいずれも適用可能
・農業用ハウスで地産地消（売電も可能）

・農地面積が減少、収穫量が減少 ・農地面積を確保
・都市での導入で農作物の地産地消が可能
・波長選択光で単収はむしろ増加・波長を活かした農作物の品種改良が可能 11

農業用ハウスに向けた有機太陽電池PTB7IEICO-4F

Donor (D-A polymer)
Acceptor (NFA)✓ IR light for power generation
Yang, Y. et al., ACS Nano 2019, 13, 1071.

J52

IEICO-4F

PC71BM✓ Wavelength selective ternary OPV
Cao, Y. et al., Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803438.

PTB7-THIEICO-4F✓ Semitransparent OPV in greenhouses
O’Connor, T. B. et al., Joule. 2020, 4, 490.

12

透過型OSCフィルムが農作物成長に与える影響

光量＆光質のコントロールで収穫量向上＆栄養成分制御
収穫量の比較
ジャガイモ
ほうれん草
トマト

OSCあり
5460 g749 g2386 g

ほうれん草の栄養分析評価
OSCあり
3.5
糖度/%
1600
bカロテン/mg/100g
140
ビタミンA1/mg/100g
5000
ビタミンC/mg/100g

OSCなし
4570 g642 g2595 g

OSCあり/なし
119%
117%
92%

OSCなし
3.5
1100
917000

公立諏訪東京理科大学
13緑色光波長選択性の付与に向けた戦略
高い発電効率の OSC
Acceptor

LUMO
e

LUMO

Eg
HOMOEghAbsorbance

Donor

Cultivate crops

HOMO

400

波長選択型 OSC
Acceptor

LUMO
e

Eg
HOMO

h

ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 1548.

LUMO

Eg

Absorbance

Donor

500
600
700
Wavelength / nm

Cultivate crops

HOMO

400

500
600
700
Wavelength / nm

14農業用ハウス用途における波長選択型OSCの優位性
シリコン太陽電池

波長選択性のないOSC

課題
・建築物として取り扱い・架台の設置が必要
・廃棄が困難課題
・全体を覆うことができない・設置が困難波長選択型OSC✓ 高い安全性✓ 設置や廃棄が容易

ペロブスカイト太陽電池

大阪大学で見出した独自構造の課題
緑色光波長選択的材料で実現可能
・全体を覆うことができない
・廃棄が困難・災害等の際、農業用の土地に有毒物質が散乱
ペロブスカイト太陽電池には0.8g/m2の鉛を使用→農地に漏れた場合，土壌の鉛濃度は4.0 mg/Kg
農作物に取り込まれるPbの危険性大（右図）(Abte A. et al. Nat. Commun. 2020, 11, 310)15

緑色波長選択性付与に向けたP3HTと非フラーレン型アクセプター
Donor

UV-vis absorption spectra

Energy level

Chlorophyl b

P3HT
安価 (5,000 円/g)
大量入手が容易高い化学的安定性
緑色光を選択的に吸収

Absorbance

Chlorophyl aP3HT–2.70

LUMO

P3HTLUMO
2.19HOMO400

Acceptor

500600Wavelength / nm

700–4.89

HOMO

New acceptors

ONTz-RD✓

Acceptors compatible with P3HT✓

Wavelength control (400-600 nm)✓Introduction of solubilizing groups

SNTz-RD16電子親和力とイオン化ポテンシャル
Low Energy Inverse Photoelectron
Spectroscopy (LEIPS)

Ultraviolet Photoelectron
Spectroscopy (UPS)330

Intensity / cps

Intensity / cps (×107)

2.5
20

102ONTz-RD

1.5
1

0.5
0
–6–5–4–3–2–10SNTz-RD0Energy from Evac / eV

151050Binding Energy / eV

ONTz-RD

SNTz-RD

Electron Affinity

2.74 eV

2.81 eVIonization Potential

5.73 eV

5.73 eVEg

2.99 eV

2.92 eV–517緑色波長選択性：Green Light Wavelength Selective Factor (SG)cf. Average visible transmission (AVT): Lunt, R. R. et al. Nat. Energy 2017, 2, 849.

T : Transmittance of the blend film
NG : Data numbers in the green light wavelength region (500–600 nm)
NRB : Data numbers in the blue and red wavelength regions (400–500 and 600–700 nm),N : Data numbers in the total wavelength region (400–700 nm)

SG = 1Transmittance / %1009080706050403020300 400 500 600 700 800Wavelength / nm

SG = 0PBDB-T:ITIC
P3HT:SNTz-RD
P3HT:ONTｚ-RD

SG = -1(SG = –0.06)(SG = 0.44)(SG = 0.42)18緑色波長領域の発電効率：
PCEs in the green-light region (PCE-GR)+ –2

J-V curves

50

Ag : anode
MoOx : Hole-transport layer

EQE spectra

active layer(Donor ＆ Acceptor)

SNTz-RD0ZnO : Electron-transport layer40

ITO : cathode–2

EQE / %

Current density / mA cm-2

EQEl and nPhotonl are the EQEs of the OSCs and the photon flux of AM1.5G at wavelength
PG is the irradiated energy in the 500–600 nm wavelength range of AM1.5G(PG = 15.1 mW cm–2)

ONTz-RD–4–6–80.5
Voltage / V

20glass substrate

ONTz-RD

Fabrication Condition
donor : acceptor = 1 :1

10SNTz-RD
030

1.00300 400 500 600 700 800
Wavelength / nm

10 mg/mL CHCl3 solution
spin-coating (1000 rpm)

Acceptor

JSC / mA･cm⁻²

VOC / VFF / %

PCE-GR / %ONTz-RD

4.49

0.70

46

4.2

SNTz-RD

5.79

0.75

415.8
19

光合成評価Transmittance Spectra of Films

SPFD (×103)/ μmol ・ m–2 ・ s–1・ μm–1

12

Photosynthetic of Films
20

Photosynthetic rate/ μmol CO2・ m–2 ・ s–1

10Control16Control

8

P3HT:SNTz-RD

126P3HT:SNTz-RD
P3HT:PCBM

420400

500

600

700

800

Wavelength / nm

840

P3HT:PCBM
0500

PPFD / μmol・m–2・s–1

1000

SPFD : Spectra Photon Flux Density
PPFD : Photosynthetic Photon Flux Density

Film of P3HT:SNTz-RD

公立諏訪東京理科大学

20

緑色光波長選択的なアクセプター開発の進捗
特許6968373号 大阪大学 石原産業（株）

FNTz

UV-vis Spectrum

特許7029721号 大阪大学 石原産業（株）
NPG Asia Mater. 2018, 10, 1016.

緑色光波長選択性
吸光度

FNTz-FA

高い化学的安定性
緑色光に波長選択的に吸収9.3%のPCE-GR

モジュール化検討

400500600700

電流密度 (mA cm-2)

波長 (nm)太陽電池特性0-500.51.0

電圧 (V)

100 cm2

400 cm221

緑色光波長選択型有機太陽電池のモジュール化
メートルスケールのOSCを作製

22緑色光波長選択型OSCによる農作物評価(P3HT:FNTz-FA)■ガラス温室での農業試験に向けた準備＠屋内栽培✅ くさ丈計測✅ 収穫量計測

評価・分析

屋内栽培実験室の様子（高輝度LED＆疑似太陽光LEDを使用）
公立諏訪東京理科大学

栄養成分分析

トマト栽培
23

緑色光波長選択型OSCによる農作物評価
白色光（OSCなし）

屋内トマト栽培実験結果（個数・収量・実一個当たりの重さ）✅ OSC無しの農作物栽培と比べて収穫量増加

各ステージごとの個数（個）赤色光（赤色OSC）

ステージ1

ステージ2

ステージ3

ステージ4

ステージ5

合計

比較

OSCなし

643201382ー

赤色OSC

451281723105

1.28

緑色OSC

59

1730700.85

各ステージごとの重さ（g）

緑色光（緑色OSC）

ステージ1

ステージ2

ステージ3

ステージ4

ステージ5

合計

比較

OSCなし

110

1510090

225ー

赤色OSC

95

473594

189

460

2.05

緑色OSC

163

1187

43

0304

1.35

実一個あたりの重さ（g）
ステージ1

ステージ2

ステージ3

ステージ4

ステージ5

合計

比較

OSCなし

1.72

4.90

5.00

06.92

2.7ー

赤色OSC

2.12

3.89

4.38

5.53

8.22

4.4

1.60

緑色OSC

2.76

10.70

12.43

14.33

0

4.3

1.58

24近赤外波長選択型の有機太陽電池の開発
クロロフィルb

クロロフィルa

光吸収（相対値）

4端子のタンデム構造を想定
青緑

赤 近赤MoO3/IZO電極

緑色吸収層
ITO/ZnO電極
基板

400600800
波長 （nm）

1000

1200
MoO3/IZO電極

近赤外吸収層ITO/ZnO電極
基板

UV-vis Spectrum

60Internal Quantum Efficiency

500.2

IQE / %

Absorbance / a.u.

0.3

0.1

403020100.04000600

800

Wavelength / nm

1000

400600800

Wavelength / nm

100025地産地消のエネルギー源としての波長選択型OSC
9％のPCE-GRの波長選択型OSCが利用で、農業用ハウスの電力を賄うことが可能
縦40 m，横5 m，アーチ長さ 2.5p を仮定すると設置面積 ≒ 300 m2
平均日射量を1 kW/m2、日照時間を6 時間と仮定して、発電効率3%とすると、1 日あたりの発電量は、1 (kW/m2) × 6 (h) × 300 (m2) × 0.03 = 54 (kWh)項目

最大消費電力補足

運転可能時間農業ハウス用ヒートポンプ

3.4 kW

7馬力

16時間

農業ハウス用除湿機

1.8 kW

2馬力

30時間

農業ハウス用循環扇

86 W

628時間

農業ハウス用送風機

300 W

180時間

年間発電量は、 54 (kWh) × 365 = 19,710 (kWh)
電気料金を20 円/kWh とすると 19,710 (kWh) × 20 (円/kWh) ≒ 39万円

26

波長選択型OSCの倫理的・社会的・法的課題（ELSI）
農業用途の有機太陽電池の社会実装に向けて、技術的課題のみならず、ELSIも考慮
太陽電池廃棄・回収

太陽光の反射土壌への影響ELSIを抽出し解決するための検討項目を明確化

ビッグデータ

栄養成分への影響

遺伝子への影響
農業生態系への影響
27

実用化に向けた課題

・ 有機半導体材料開発
スケールアップ（数グラム～数キロまで）と材料の多様性

・ 有機太陽電池モジュール開発
モジュールの最適化、および、スケールアップ

・ 農業の実証実験
波長選択型有機太陽電池が農作物に及ぼす影響の系統的な解明

28

企業への期待・ 有機半導体材料開発
新規材料、および、スケールアップを担当いただける企業との共同開発を希望（波長選択性のレパートリー拡充、スケールアップに適した材料 等）
・ 有機太陽電池モジュール開発
農業用ハウスへの使用に適した部材、あるいは、メートルサイズのモジュール作製技術をお持ちの企業との共同開発を希望
・ 農業の実証実験
波長選択型有機太陽電池の農業評価を共同で実施・評価いただける企業との共同開発を希望（農作物のレパートリー拡充、波長選択性の効果の検証 等）

29

農業用ハウスに搭載する波長選択型OSCが目指す未来社会への道筋
環境に優しいエネルギー➢ 低環境負荷の太陽電池
自然災害に強いエネルギー

土地の有効利用

農地を活用して発電

迅速に電源復旧

へき地でも発電と農業災害による破損をジッパー部にとどめる（国土面積の12%が農用地）

×
新たな開墾は不要

令和元年房総半島台風➢ 食料の自給力や競争力の向上
食料の安定確保
栄養価の高い農作物生育
波長選択型OSCで収穫量増加

栄養成分向上に向けた品種改良

ジャガイモ 119%
ほうれん草 117%
公立諏訪東京理科大

スマート農業の実現➢ 農業を基盤とする新産業創出
都市農業の実現
農業用ハウスで発電

農業のSociety 5.0と雇用創出

新しい農業の提案

売電で収益増農地の10%に導入
国内電力量の3割を供給可能
公立諏訪東京理科大

大阪公立大

30

お問い合わせ先
大阪大学

産業科学研究所

戦略室（担当：加藤）ＴＥＬ

０６－６８７９ － ８４４８

e-mail air-office@ sanken.osaka-u.ac.jp

31