フィンランドの科学者は最近、太陽電池の寿命を延ばし、石油ベースのプラスチックへの依存を減らすことができる新しいバイオベースの材料を開発しました。トゥルク大学が率いるチームは、アアルト大学およびワーヘニンゲン大学と協力し、赤玉ねぎの皮抽出物を組み込んだナノセルロースフィルムが、UV保護の点で従来のポリエチレンテレフタレート（PET）保護フィルムよりも優れていることを実証しました。
太陽電池は紫外線にさらされると徐々に劣化し、色素増感型電池などの電解質層にダメージを与えます。このため、メーカーは保護のためにポリフッ化ビニル (PVF) や PET などのポリマー コーティングを使用することがよくありますが、これらの材料は化石燃料由来であり、簡単には劣化しません。この研究の目標は、再生可能なセルロースベースの材料が同じ保護効果を達成できるかどうかを調査することです。
研究チームは、ベースとしてナノセルロースを選択し、ナノスケールの繊維を抽出してフィルムを作成し、天然の紫外線吸収剤（リグニン、鉄イオン、赤タマネギの皮抽出物を含む）で処理しました。 3 つすべてがこれまでに紫外線をブロックする可能性を持っていましたが、長期的な体系的な比較を行ったのはこの研究が初めてです。
結果は、赤玉ねぎの皮抽出物を組み込んだフィルムが最も優れた性能を発揮したことを示しました。テストの結果、このフィルムは 400 ナノメートル以下の紫外線を 99.9% 遮断し、650 ～ 1100 ナノメートルの帯域では 80% 以上の光透過率を維持できることが示されています。太陽光発電では可視光と近赤外光の高い透過率を維持することが重要です。
研究者らは、色素増感太陽電池をフィルムの下に置き、人工太陽光に1,000時間（中央ヨーロッパの1年間の屋外太陽光にほぼ相当）曝露し、フィルムと電池の性能と外観を観察し続けた。その結果、レッドオニオンスキンフィルムはわずかな変色しか見られず、基本的にその光学特性を維持し、常にバッテリーを効果的に保護しました。対照的に、鉄イオンで処理された膜は、初期段階では光をよく透過しますが、その後は急速に劣化します。リグニン膜は強い紫外線遮断能力を持っていますが、色が濃いため可視光線透過率に大きな影響を与えます。
トゥルク大学の博士研究員ルステム・ニザモフ氏は、長期にわたる試験により、さまざまな生物由来の膜の安定性に大きな違いがあることが明らかになったと述べた。 「この研究は、UV フィルターの長期テストの重要性を強調しています。他のバイオベースのフィルターでは、時間の経過とともに UV 保護と光透過率に明らかな変化が見られます。」
この研究は、特に紫外線劣化に敏感な色素増感太陽電池に焦点を当てています。研究チームは、この結果がペロブスカイトおよび有機太陽光発電技術に適用できると指摘した。これらの最先端の太陽電池には信頼性の高い UV 保護も必要であり、現在は非分解性プラスチックに依存しています。タマネギの皮などの植物廃棄物から作られた保護フィルムは、耐久性があるだけでなく、持続可能性の利点もあります。
この研究は、天然資源から付加価値のある製品を開発するというフィンランドの森林・素材産業の推進の一環である。トゥルク大学の材料工学教授、カティ・ミーツネン氏は、林業は新たな高付加価値製品の開発を望んでおり、これらの製品は太陽電池などの電子分野の主要部品になることも期待されていると指摘した。
研究チームは、将来的には、この完全に生分解性の材料が、使い捨てセンサーやスマートパッケージングなど、リサイクルが不可能な製品に使用できるようになると構想しています。石油ベースの保護層を天然色素で強化されたナノセルロースに置き換えることは、太陽エネルギー技術の持続可能な開発を促進するだけでなく、応用シナリオの拡大にも役立ちます。
この研究は、フィンランド研究評議会が資金提供した BioEST プロジェクトによって支援されており、その結果はジャーナル ACS Applied Optical Materials に掲載されました。