日没後に太陽電池パネルが発電能力を失うと、再生可能エネルギーにとって大きな課題が 1 つ残ります。それは、曇天でも夜間でも、後で使用できるように太陽光発電をどのように蓄えるかということです。
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者らは、大規模なバッテリーシステムや送電網への依存を回避する答えを見つけたかもしれないと考えている。サイエンス誌の記事で、グレース・ハーン准教授と研究チームは、太陽光を吸収し、そのエネルギーを化学結合に蓄え、必要なときにいつでも熱として放出できる新素材について説明しています。この材料はピリミドンと呼ばれる別の有機分子をベースにしており、分子太陽熱エネルギー貯蔵技術 (MOST) の新たな前進を表しています。
「このコンセプトは再利用可能でリサイクル可能です」と、ハングループの博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者であるハン・グエン氏は述べた。
「フォトクロミックサングラスを思い浮かべてください。屋内にいるときは、ただの透明なレンズです。外に出て太陽の光を浴びると、自然に暗くなります。屋内に戻ると、レンズが再び明るくなります。」とグエン氏は続けた。 「そのような可逆的な変化が私たちが興味を持っていることです。色を変える代わりに、同じアイデアを使ってエネルギーを蓄え、必要なときに放出し、材料を何度も再利用したいと考えています。」
DNAにインスピレーションを得た太陽エネルギー貯蔵
科学者たちは分子を設計する際、予期せぬ情報源からインスピレーションを得ました。DNA です。ピリミジン構造は、紫外線にさらされると可逆的に形状を変化させることができる DNA 内に天然に存在する成分に似ています。
研究チームは、この構造の合成バージョンを使用して、エネルギーを繰り返し貯蔵および放出できる分子を設計した。この分子が長期間エネルギーを保持しながら安定している理由をより深く理解するために、研究者らは、著名な UCLA 研究教授 Ken Houk と協力しました。計算モデルは、材料がどのようにして大きな損失なく蓄積されたエネルギーを何年も維持できるかを説明するのに役立ちました。
「私たちは軽量でコンパクトな分子設計を好みました」とグエン氏は語った。 「このプロジェクトでは、必要のないものはすべてカットしました。分子ができるだけコンパクトになるように、不要なものはすべて取り除きました。」
繰り返し使える「太陽電池」。
太陽光を直接電気に変換する標準的なソーラーパネルとは異なり、このシステムはエネルギーを化学的な形で蓄えます。この分子は、圧縮されたバネのように動作します。太陽光を吸収すると、高エネルギーの緊張した形態に切り替わり、活性化されるまでこの状態を維持します。
少量の熱や触媒などのトリガーにさらされると、分子は元の形状に戻り、蓄えられたエネルギーを熱として放出します。
「私たちは通常、これを充電可能な太陽電池と表現します」とグエン氏は語った。 「太陽光を蓄えて充電できる。」
この分子は、優れたエネルギー密度も提供します。研究者らによると、1キログラムあたり1.6メガジュール以上のエネルギーを蓄えているという。比較すると、従来のリチウムイオン電池は約 0.9 MJ/kg を蓄えます。この新素材は、前世代の光エネルギー蓄積スイッチよりも優れた性能を発揮しました。
蓄えた太陽光を利用して水を沸騰させる新素材
チームにとっての大きなマイルストーンは、分子の高いエネルギー貯蔵能力を実用的な実証に変えることでした。研究者らは実験で、この材料が周囲条件で水を沸騰させるのに十分な熱を放出できることを示したが、これはこの研究分野では達成が困難であった。
「水を沸騰させるのはエネルギーを大量に消費するプロセスです」とグエン氏は語った。 「周囲条件下で水を沸騰させることができるという事実は、大きな成果です。」
この技術は、最終的には、キャンプ用途や家庭用給湯用のオフグリッド暖房システムなど、現実世界のさまざまな用途をサポートする可能性があります。この材料は水に溶けるため、研究者らは、この材料が日中屋上の太陽光集熱器を通って循環し、その後夜間に熱を放出するタンクに保管される可能性があると述べている。
「ソーラーパネルの場合、エネルギーを蓄えるために追加のバッテリーシステムが必要です」とハーン氏の研究室の博士研究員で共著者のベンジャミン・ベイカー氏は言う。 「分子太陽熱エネルギー貯蔵により、材料自体が太陽光からのこのエネルギーを貯蔵することができます。」
このプロジェクトは、これらの「充電式太陽電池」の開発を進めるために、2025 年にハーンに授与されたムーア発明家フェローシップからの支援を受けました。
