Transcript 色素増感太陽電池を作成し

色素増感太陽電池を作って
発電実験をしてみよう
東京理科大学理学部応用物理学科4年
1508135番 松田 峻
目的
エネルギー･環境教育は重要となってきている。
しかし，実験を通して学ぶ科学的な学習教材が豊富とはいえない。
例えば，実際に吹く風を利用した風力発電実験，
太陽電池そのものの作成といった授業実践は少ない。
色素増感太陽電池を実際に作成することを通じて学ぶ
エネルギー･環境教育の授業実践について報告。
研究背景
高等学校学習指導要領(平成21年公示)
科学と人間生活
自然と人間生活とのかかわり及び科学技術が人間生活に
果たしてきた役割についての学習を踏まえて，
これからの科学と人間生活とのかかわり方について考察させる。
→例えば，エネルギー，環境負荷軽減技術，自然とのかかわり
物理基礎
様々な物理現象とエネルギーの利用に関する探究活動
物理
物理学の成果が様々な分野で利用され，未来を築く新しい
科学技術の基盤となっていることを理解する。
研究背景
高等学校学習指導要領(平成21年公示)
科学と人間生活，物理基礎，物理のどの科目においても
自然と科学技術と人間生活のかかわりについて考察させる。
先日，東日本大震災が起こり，2次災害として原子力発電所が
大きなダメージを受け，放射線をはじめ様々な問題が起きた。
→2つの教訓
①物理に関する正しい知識②安全なエネルギー源
ここでは，太陽光を用いた
色素増感太陽電池について考察していく。
研究背景
色素増感太陽電池
スイスのグレッツェルらが開発，植物の光合成に
似ているため，光合成型太陽電池とも呼ばれる。
主原料
電気伝導性ガラス，二酸化チタン，有機色素，ヨウ素溶液
現在普及している太陽電池はアモルファスシリコンが主流。
→製造のためのエネルギー量が膨大，高い技術力が必要など
教材としては不向きである。
→色素増感太陽電池は低コスト，小規模施設で作成可能，
環境への負荷が比較的少ない。
研究内容
色素増感太陽電池とは…
光エネルギー→電気エネルギー
研究内容
色素増感太陽電池
材料
電気伝導性ガラス2枚 二酸化チタンの粉末(歯磨き粉) 酢酸
中性洗剤 植物色素(ハイビスカス，紫キャベツ，ブルーベリー等)
黒鉛(鉛筆の芯) クリップ2個 ヨウ素溶液(うがい薬) テスター
カセットコンロ 金網 小皿 電子メロディー 太陽電池式電卓
→主に手軽に入手できるものが多い。
研究内容
色素増感太陽電池の具体的構造…
マイナス極
①二酸化チタンを塗布する
②焼き固める
③色素につける
プラス極
①黒鉛を塗布する
研究内容
色素増感太陽電池の具体的構造…
マイナス極
プラス極
電解質溶液として
ヨウ素溶液(うがい薬)
マイナス極
プラス極
研究内容
色素増感太陽電池の具体的構造…
電子メロディ
マイナス極
プラス極
研究内容
色素増感太陽電池の作成過程を確認してきた。
主に手軽に入手できるものが多い。
作製工程は危険が少なく，簡単である。
色素増感太陽電池を作成し，発電実験を行う授業は
実験を通してエネルギー･環境学習を行える科学的な学習教材で
あるといえる。
→色素増感太陽電池を用いた授業実践を実際に行った。
研究内容
色素増感太陽電池の授業実践…
研究内容
色素増感太陽電池の授業実践…
研究内容
色素増感太陽電池の授業実践…
この3時間目は，生徒の独創性を養う授業である。
いろいろな色素を集め，発電効率や光の当て方などの比較を行う。
→生徒たちが自分たちなりの｢ぷち発明｣を行う授業展開。
研究内容
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。
→エネルギー･環境教育はすべての人に関係している。
老若男女問わず多くの人に理解して，考えてもらいたい。
高校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にも掲載。
中学校では総合的な学習の学習教材としても注目を集めている。
結果
色素増感太陽電池を教材として用いた授業を行って…
長野市立桜ケ岡中学校(2時間100分)
鳥取県立青谷中学校(1時間50分)
SPPの認定を受けて授業を行った。
→いずれの学校でも，太陽電池を自分で作れることを体験して，
発電実験が成功したときは感動し喜んでいた。
→色素増感太陽電池の発電実験を生徒と共有することで，
エネルギー･環境問題に，生徒自身が科学技術を用いて
貢献できることを体感したと考えられる。
結果
いろいろな植物色素での発電実験結果
考察
今回の実験教室以外(子供たちのための科学実験教室やSSHの
認定を受けた京都教育大学の科学技術の授業など)においても，
太陽電池を自分たちで作って発電し，身近な材料で実体験した。
発電実験を通じて，エネルギー問題や地球環境問題に対する
興味･関心を高められた。
→エネルギー･環境分野における先端科学技術をベースにした
実験教材を児童･生徒に提供することは，エネルギー･環境教育を
推進するうえで重要であり，高い学習効果が得られる。
考察
色素増感太陽電池について
現時点では，入手のしやすさや値段の面で…
電気伝導性ガラス
二酸化チタンの粉末
この2つの存在がネックである。
改善策として…
電気伝導性ガラスは，携帯電話やPCの液晶で代用できる!?
→秋葉原へ GO!!
二酸化チタンは歯磨き粉で代用できる!?
→薬局へ
GO!!
考察
論文への評価
この論文の内容から，児童・生徒が先端科学技術である
色素増感太陽電池を作成できるため，驚きや感動を与えられた。
｢花の力で発電できるってロマンチックで夢を感じた｣
｢太陽電池はとても面白く，その方面の研究をしてみたくなった｣
いろいろな色素による比較や光の当て方など生徒がぷち発明を
行うことで，探究心や興味･関心を刺激することとなる。
考察
論文から学べる知見
生徒に環境問題や科学技術を身近に感じてもらうことに
意味があり，実際に体験してもらいたい
→ハイテクな実験器も必要であるが，生徒自身が実験を行うことで
科学的に探究する能力と態度を育てることとなる
→太陽電池の作成や比較対象実験を行い，発表させることで
クラスで議論でき，精度を良くする方法やよりよい実験方法などの
発見に繋がる
考察
論文を読んだ結果として将来やっていきたい授業
前段階として，地球温暖化や酸性雨などの環境問題についての
授業を行い，生徒たちに｢地球にやさしいエネルギー源｣について
考えさせる。
→クリーンなエネルギー源について考察。
太陽光発電や風力発電，水力発電などが挙がる。
実際に色素増感太陽電池を作成し，先端科学技術に触れる。
世界との比較を行い，エネルギーについて考察する。
まとめ
色素増感太陽電池を実際に作成することで地球環境問題を
児童･生徒に身近なものに感じてもらうことができる。
→エネルギー･環境教育を身近に考えることができるようになり，
先端科学技術を実体験することで，今後の生活において科学
技術とのかかわりを考えるようになる。