色素増感太陽電池を作って 発電実験をしてみよう

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1 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 番　松田　峻

2 目的 エネルギー･環境教育は重要となってきている。 太陽電池そのものの作成といった授業実践は少ない。
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。

3 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。

4 研究背景 色素増感太陽電池について考察していく。
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。

5 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。

6 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

7 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。

8 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 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 ①黒鉛を塗布する

9 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

10 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

11 研究内容 色素増感太陽電池を作成し，発電実験を行う授業は 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。

12 研究内容 色素増感太陽電池の授業実践…

13 研究内容 色素増感太陽電池の授業実践…

14 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。

15 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。

16 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。

17 結果 いろいろな植物色素での発電実験結果

18 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。

19 考察 電気伝導性ガラス 二酸化チタンの粉末 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…
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!? 二酸化チタンは歯磨き粉で代用できる!? →秋葉原へ　GO!! →薬局へ GO!!

20 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。

21 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

22 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。

23 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。