効率30%超えの世界新記録。EPFLが開発した「3接合」ペロブスカイト太陽電池の全貌

高度400キロメートルの軌道を周回する人工衛星の漆黒のパネルは、地上で私たちが目にする太陽電池とは根本的に異なる。限られた面積から極限まで電力を絞り出すため、光の波長ごとに専用の半導体層を3重、4重に重ねた多接合（マルチジャンクション）構造を持っている。この宇宙用パネルは製造に高度な真空プロセスや希少元素を要し、ワットあたりのコストが地上用シリコンパネルの約1,000倍に達する。私たちの生活する住宅の屋根の上に並べることは、長らく経済的に不可能とされてきた。

太陽光のフルスペクトルをすくい取る3層のふるい

現在、世界の太陽光発電市場の9割以上を占めるのは結晶シリコン太陽電池である。製造技術の成熟によって劇的なコストダウンを遂げたが、単一の材料による光電変換の限界が目前に迫っている。ひとつの半導体材料では、太陽光に含まれる幅広いエネルギーの光をすべて電気に変換することはできない。物理的な変換効率の上限を示すショックレー・クワイサー限界は約29%に設定されており、市場に出回る最高クラスの製品群もすでに22〜24%付近で頭打ちになっている。

この限界を打ち破るためのアプローチが、複数の異なる材料を重ね合わせる多接合技術である。3接合（トリプルジャンクション）構造は、異なる網目の大きさを持つ3層のふるいに例えられる。最上部のトップセルは目が粗く、高エネルギーの青い光の粒子だけを捕らえる。中央のミドルセルは網目がやや細かく、中間の緑や黄色の光をすくい取る。そして最下部のボトムセルは最も目が細かく、上2層をすり抜けた低エネルギーの赤外光まで漏らさずキャッチする。各層が自分の得意な波長帯だけを分担して吸収すれば、熱として逃げていたエネルギーを極限まで回収でき、理論上は50%を超える効率を狙うことが可能になる。

ペロブスカイトが変えたシリコン一強の前提

これまで、この多接合構造を実現するにはガリウムやヒ素を用いた高価なIII-V族半導体が必要不可欠だった。数百万ドルの予算が許される宇宙開発用途に限定されていたのである。

しかし近年、安価な溶液塗布プロセスで製造でき、光を吸収する特性であるバンドギャップを化学組成の変更によって自在に調整できるペロブスカイト半導体が登場した。ペロブスカイトをシリコンの上に直接塗布する、あるいはペロブスカイト同士を複数重ね合わせる手法が考案されたことで、宇宙級の性能を地上のコストで実現する道が開かれた。では、この新しい材料群をどのようにして精密な多接合デバイスへ統合していくべきか。

シリコンとペロブスカイトの三重奏による30.02%の光学設計

スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）のPV-Labと、スイス電子・マイクロ技術センター（CSEM）の共同研究チームは、この多接合アプローチを極限まで洗練させた。彼らは、下地に従来のシリコン太陽電池を配置し、その上に性質の異なる2種類のペロブスカイト薄膜を重ねた1 ${\text{cm}}^2$のトリプルジャンクション太陽電池を構築し、独立機関の認証で30.02%という電力変換効率を叩き出した。

シンガポール国立大学の研究チームが保持していた27.10%という従来記録を3ポイント近く引き上げる大幅な更新劇である。単接合シリコンの理論限界を完全に置き去りにしたこの記録は、ペロブスカイト技術がラボレベルの試作から実用的な超高効率デバイスへの移行期に突入した事実を物語っている。

ナノ粒子と結晶制御がもたらした光と電子のマネジメント

EPFLとCSEMのチームが直面していた最大の障壁は、トップセルの低い電圧とミドルセルの低い電流という2つのボトルネックだった。直列に接続された3接合太陽電池では、最も流れる電流が少ない層が全体の足を引っ張る仕組みになっている。彼らは3つの精密な技術的介入によってこの物理的な制約を解決した。

第一に、トップセルのペロブスカイト層を形成する際、結晶の成長をガイドして表面の微小な欠陥を塞ぐ特殊な分子を導入した。光を受けて発生した電子が、電極に到達する前に欠陥に捕らわれて消失する現象を抑え込み、トップセル単体で1.4 Vという極めて高い開放電圧を引き出すことに成功した。

第二に、ミドルセルの製造に新たな溶液プロセスを導入し、これまで取りこぼしていた近赤外光帯域の吸収効率を劇的に改善した。

第三の工夫が最も重要である。ミドルセルと最下部のシリコンセルの間に、酸化シリコン（$\text{SiO}\_x$）のナノ粒子を規則的に組み込んだのだ。このナノ粒子層は、特定の波長の光を選択的に跳ね返す微小な鏡の役割を果たす。ボトムのシリコンへ過剰に抜けてしまっていた中間波長の光をミドルセルへ強制的に反射させることで、ミドルセル内で生み出される電流を物理的にブーストし、3つの層の電流バランスを完全に一致させた。

オールペロブスカイトという別解が抱える界面のノイズ

EPFLがシリコンを強固な土台に用いた一方で、ドイツのヘルムホルツセンターベルリン（HZB）の研究チームは、シリコンを一切使わず、3層すべてをペロブスカイトで構成するオールペロブスカイト・トリプルジャンクションという別のアプローチで限界に挑んでいる。HZBは最新の研究で27.3%の効率を達成し、同時にこの種のデバイスの弱点であった耐久性を劇的に引き上げた。

完全ペロブスカイト構造において最大の急所となるのは、最下部に配置されるスズ-鉛（Sn-Pb）混合ペロブスカイト層である。これまで、この層からプラスの電荷を持つ正孔を抽出するための材料としてPEDOT:PSSと呼ばれる導電性ポリマーが標準的に使われてきた。このポリマーは酸性かつ吸湿性が高く、スズを容易に酸化させてデバイスを内部から破壊してしまう。それに加え、ポリマー自体が光を無駄に吸収してしまう寄生吸収という現象を引き起こし、電流の損失が避けられなかった。

代替案として、鉛ベースの太陽電池で成功を収めている自己組織化単分子膜（SAM）の使用が試みられてきた。SAMは光をほとんど吸収しない数ナノメートル厚の分子膜だが、スズ-鉛ペロブスカイトの直下に敷くと、なぜか電荷の抽出が極端に悪化し、効率が低下するという現象が起きていた。

HZBの研究チームは過渡表面光起電力（trSPV）測定などの深層分析を行い、その原因を突き止めた。SAM分子の層だけでは、ペロブスカイト内部のヨウ素イオンなどが界面に移動して内部電場を遮蔽してしまい、電子と正孔のスムーズな分離を妨げていたのだ。

酸化グラフェンが拓く土壌と770時間の安定性

HZBが導き出した解決策は、SAM分子の下に極薄の酸化グラフェン（GO）を敷き、二重層を形成することだった。

このメカニズムは、農業における種まきに似ている。SAM分子を植物の種とするなら、GOは肥沃な土壌の役割を担う。無機電極の表面に直接SAM分子を散布しても均一に根を張れないが、酸素官能基を豊富に含むGOをあらかじめ敷き詰めることで、SAM分子がGOと化学的に結合し、規則正しく強固に整列する。結果として、電荷が迷わず流れる密生した森が形成される。

このGOとSAMの二重層の導入により、単接合のスズ-鉛ペロブスカイトセルにおいて、短絡電流密度はSAM単体の時と比較して5.8 ${\text{mA cm}}^{-2}$向上し、変換効率22.1%を記録した。チームはこの技術を3接合デバイスに適用し、PEDOT:PSSが引き起こしていた寄生吸収を完全に排除した。ミドルセルとボトムセルのバンドギャップを精密に調整することで、3層デバイス全体で27.3%の効率に到達した。

さらに重要なのは、酸化やイオン移動のノイズを封じ込めたことによる寿命の延長である。GO/SAM二重層を搭載した3接合デバイスは、連続光照射下での稼働テストにおいて、770時間が経過した後も初期効率の90%以上を維持した。PEDOT:PSSを用いた従来構造が約380時間で劣化基準に達していたことと比較すると、安定性は2倍に跳ね上がっており、オールペロブスカイト3接合における世界トップクラスの耐久性記録である。

屋根の上の宇宙技術へ向けた大面積化と封止のハードル

EPFLによる30.02%の金字塔は、机上の理論にとどまらず、実際のデバイスレベルで既存のシリコン単接合を完全に凌駕した事実を証明した。同時に、HZBが示したオールペロブスカイト構造での27.3%と長期安定性の獲得は、シリコンウエハーという厚く硬い土台すら不要になる軽量でフレキシブルな超高効率パネルの未来を現実的なものにしている。

研究室の1 ${\text{cm}}^2$の小面積デバイスで実証されたこの物理的ブレイクスルーを、社会インフラとして実装するためには次のステップが必要になる。最大の課題は、大面積のガラス基板やプラスチックフィルム上に、ナノメートル単位の薄膜を欠陥なく均一に塗布し続ける量産プロセスの確立である。工業的なロール・トゥ・ロール方式やスリットダイコート法へ移行した際、実験室の小規模なスピンコート法では表面化しなかった僅かな乾燥ムラや厚みのブレが、モジュール全体の性能を著しく低下させる要因となる。

また、太陽光モジュールに求められる20年以上の屋外耐久性をどう担保するかも未解明の問いとして残されている。ペロブスカイト材料は本質的に水分や酸素に極めて弱いため、エチレン酢酸ビニル（EVA）やポリオレフィンエラストマー（POE）といった特殊な樹脂を用いた厳密なパッケージング技術の開発が、材料そのものの改良と同等以上に重要になる。

宇宙空間でしか許されなかった贅沢な超高効率技術が、印刷プロセスという身近な製造手法を借りて、地上のあらゆる屋根や壁面を覆い尽くす日へ向けて、カウントダウンはすでに始まっている。