家 裕隆
大阪大学 产业科学研究所 教授
2023～2024年 大学衍生新产业创造基金事业可行性验证（创业挑战）研究代表
“创新日本走访”系列采访那些以实际应用于社会一线为目标的研发现场。第28回采访的是大阪大学产业科学研究所家裕隆教授，他正致力于研发可安装在农业大棚中的薄片状有机太阳能电池。这种太阳能电池为只吸收对光合作用贡献较少的绿色光的波长选择型，兼具环保属性，研究目的是实现兼顾农业与发电的“太阳能匹配模式”。目前已与多家企业合作，在日本各地的农田开展实地验证。
轻而薄，最适合大棚安装
既往产品存在重量及有毒物质等课题
家裕隆教授的实验室坐落在紧邻万博纪念公园、坐拥广阔校园的大阪大学吹田校区。在该校区产业科学研究所内的实验室里，我们看到了像薄片一样质地轻盈的有机太阳能电池（OPV）（图1），这款产品堪称农业大棚屋顶及天花板的理想选择。
图1 仅吸收绿色光发电的OPV。光合作用所需的蓝色光与红色光可透过电池，到达农作物。
在农田进行太阳能发电的“农光兼顾”早已屡见不鲜，但家教授指出，目前主流的硅基太阳能电池以及未来有望普及的钙钛矿太阳能电池等无机物太阳能电池，尚存在诸多亟待解决的问题。
比如，硅基光伏板重量较大，需配套专用支架，不仅安装成本高昂，后续废弃处理也存在难度。钙钛矿太阳能电池虽发电效率较高，但其含有的有毒物质铅，成为农业应用中的一大隐患。此外，硅基光伏板完全不透明，安装区域下方会形成阴影；钙钛矿太阳能电池则会遮挡光合作用必需的蓝色光与红色光。光照不足会导致农作物生长受阻，因此这类光伏产品只能安装在无种植的区域。受上述因素限制，这类电池大多安装在土地充裕的大规模农田，且其核心目的并非为农业生产供电，更多是通过售卖电力改善农企经营。
家教授认为，研发农地专用太阳能电池，必须站在农户的角度思考。“对农户而言，光伏产品不能只追求高发电效率，能否保障安全、高品质的农作物稳定收获，才是核心需求。”因此，研究团队一直致力于研发一款既能发电，又不会影响下方农作物生长的太阳能电池。
仅选择绿色波长用于发电
实现电力的“地产地消”
OPV的发电层由作为电子传输材料的供体与受体混合制成的薄片构成。薄片吸收光线后，供体或受体中会产生激子，激子抵达两者界面时发生电荷分离，进而产生电流。家教授首先选定了市售且价格低廉、仅吸收绿色光波段的供体分子。由于农作物生长不可或缺的光合作用主要依赖蓝色光与红色光波段，因此如果能仅利用对光合作用贡献较小的绿色光进行光伏发电，就不会对农作物生长造成大的影响（图2）。
图2 植物通过叶绿素a或b色素进行光合作用。由于两者都使用波长约450纳米（纳米为十亿分之一）的蓝光和约650纳米的红光，因此利用其中间的绿光进行太阳能发电就成为了本研究的目标。
家教授在JST（国立研究开发法人科学技术振兴机构）的未来社会创造事业项目中，自主研发了最适合与仅吸收绿色波长的供体分子搭配的受体分子（图3）。由此制成的主要利用绿色波长发电的波长选择型OPV兼具质轻与柔韧的特性，可贴合农业大棚的曲面进行安装。由于能透过光合作用所需的蓝色光与红色光，因此对农作物生长的影响很小。
图3 波长选择型OPV中含有的供体分子，以及家教授等人开发的受体分子之一。
谈及波长选择型OPV的独特优势，家教授解释道：“只要有效利用农业大棚的天花板，即便是狭小的农田也能安装。与大棚一体化还能简化设备，发电所得电力能直接用于大棚温度调控等农业生产环节，真正实现电力的‘地产地消’”。农光兼顾的目的是向外部卖电，而太阳能匹配则不同，其特点是将电力自产自销。
为将波长选择型OPV安装在农业大棚，需要根据大棚宽度，制作出以米为单位的模块化产品。因此，家教授申请了JST大学衍生新产业创造基金事业的可行性验证项目，围绕模块化进行了反复验证，并进一步在农业相关企业的协助下，将波长选择型OPV实际安装在农业大棚中，检测其对农作物生长及产量的影响。实验结果显示，部分蔬菜在使用波长选择型OPV后，大棚室内温度更易管理，农作物产量也有所提升。家教授表示：“我们目前仍在对草莓、番茄等农作物开展验证实验。如果证实能提高产量，相信农户也能切实感受到采用波长选择型OPV的优势。”
面向实用化推进规模化升级
用户期待“一体化系统”
目前该研究已入选日本国立研究开发法人新能源与产业技术综合开发机构（NEDO）的项目，正全力推进面向实用化的规模化升级。家教授介绍：“目前，我们长在与三家企业合作，共同探讨模块化波长选择型OPV的高性能化与量产化方案。”众多农户也对该技术高度关注，前来洽谈实证实验的咨询接连不断。
要实现技术的实用化落地，不仅需要提高发电效率和验证耐久性，还需要进一步增大模块的尺寸。家教授表示：“日本国内的生产设备目前最多只能制作宽度40～50厘米的产品，而欧洲已配备可生产单张宽度达2米的长薄片的设备。完善生产环境需要巨额的设备投资，因此需要国家层面的支持”。此外，家教授的目光不仅限于太阳能电池本身，未来还着眼于构建集成了电线、充电装置、传感器、通信设备等的一体化系统。
随着研发体系的完善与验证规模的扩大，家教授切实感受到了边研究边经营的难度。他表示：“我本人仍将以研发工作为核心，至于经营，考虑交由能够全面理解波长选择型OPV技术、并具备整体管理能力的专业人士负责”。怀揣着创业的愿景，家教授团队正稳步迈向技术的社会实际应用之路。（TEXT：岛田祥辅、PHOTO：大林博之）
原文：JSTnews 2026年3月号
翻译：JST客观日本编辑部
