屋根に設置された太陽光パネルや大規模なエネルギーファームの光景は、世界中の多くの地域で一般的になっている。曇りや雨の多い英国でさえ、太陽光発電は電力生産の主要な担い手になりつつある。
この太陽光発電の急増は、2つの重要な進展によって支えられている。第一に、科学者、エンジニア、および産業界の人々が太陽光パネルを何十億枚も製造する方法を学んでいることだ。製造の各工程が細心の注意を払って最適化され、非常に安価に生産されている。第二に、最も重要なのは、パネルの発電効率（太陽光を電気に変換できる割合）が絶え間なく向上していることである。
太陽光パネルの効率が高ければ高いほど、電気はより安価になる。これにより、太陽光エネルギーの効率はどこまで高められるのか、そして私たちの電気代に影響を与えるのかという疑問が生じるかもしれない。
現在市販されている太陽光パネルは、太陽光の約20-22%を電力に変換している。しかし、『Nature』に掲載された新しい研究によると、タンデム太陽電池と呼ばれる新技術を活用することで、将来の太陽光パネルの効率は34%にまで達する可能性があるという。この研究では、タンデム太陽電池の記録的な発電効率が実証されている。
タンデム太陽電池とは何か？
従来の太陽電池は、太陽光を吸収するために単一の材料を使用している。現在、ほぼすべての太陽光パネルはシリコン（マイクロチップの中核となる同じ材料）で作られている。シリコンは成熟した信頼性の高い材料だが、その効率は約29%に制限されている。
この限界を克服するため、科学者たちはタンデム太陽電池に目を向けた。これは2種類の太陽電池材料を積層して、太陽のエネルギーをより多く捕捉するものである。
Natureの新しい論文では、エネルギー大手LONGiの研究チームが、シリコンとペロブスカイト材料を組み合わせた新しいタンデム太陽電池を報告している。改良された太陽光捕捉能力により、この新しいペロブスカイト-シリコンタンデムは世界記録となる33.89%の効率を達成した。
20年足らず前に発見されたペロブスカイト太陽電池材料は、確立されたシリコン技術を理想的に補完するものとして台頭した。その秘密は光吸収の調整性にある。ペロブスカイト材料は、シリコンよりも効率的に高エネルギーの青色光を捕捉できる。
このようにしてエネルギー損失を避け、タンデム全体の効率を上げることができる。III-V族半導体と呼ばれる他の材料もタンデム電池に使用され、より高い効率を達成している。問題は、生産が難しく高価なため、集光型の小型太陽電池しか作れないことである。
科学界はペロブスカイト太陽電池に多大な努力を注いでいる。わずか10年で（実験室での単一セルの）効率が14%から26%に上昇するという驚異的な発展を遂げている。このような進歩により、超高効率タンデム太陽電池への統合が可能となり、世界のエネルギー生産の脱炭素化に必要な兆ワット規模の太陽光発電技術への道筋が示された。
太陽光発電のコスト
新たに記録を更新したタンデム電池は、太陽エネルギーを60%多く捕捉できる。これは、同じエネルギーを生産するのに必要なパネルが少なくて済むことを意味し、設置コストや太陽光発電所に必要な土地（または屋根面積）を削減できる。
また、発電所運営者がより高い利益で太陽光エネルギーを生産できることも意味する。しかし、英国の電力価格の設定方法により、消費者の電気料金に違いが現れることはないかもしれない。本当の違いは、面積が制限され、スペースを効果的に活用しなければならない屋上太陽光発電設備を考慮した場合に現れる。
屋上太陽光発電の価格は、2つの主要な指標に基づいて算出される。第一に、屋根に太陽光パネルを設置する総コスト、第二に、25年間の運用期間中に生成される電力量である。設置コストは簡単に把握できるが、家庭での太陽光発電による収益はやや複雑である。電力網からのエネルギー使用量を減らすことで節約できる（特に電力が高価な時期に）ほか、余剰電力の一部を電力網に売り戻すこともできる。
しかし、電力網運営者はこの電力に対してごくわずかな価格しか支払わないため、バッテリーを使用してエネルギーを蓄え、夜間に使用する方が良い場合もある。典型的な英国の家庭を平均的に考慮し、パネルの効率に応じて消費者が得られる現金の節約額を計算した。
設置コストを増やさずにパネル効率を22%から34%に向上できれば、電気代の節約額は年間558ポンドから709ポンドに上昇する。これは20%の現金節約増加であり、曇りがちで雲の多い英国でさえ、屋上太陽光発電を非常に魅力的なものにするだろう。
では、これらの新しい太陽光パネルはいつ購入できるのか？
研究が続く中、この技術の規模拡大と長期的な耐久性の確保に向けて considerable な努力が払われている。記録を更新したタンデム電池は実験室で作られており、切手よりも小さい。このような高性能を1平方メートルの面積に適用することは、依然として大きな課題である。
しかし、進展は見られる。今月初め、ペロブスカイト技術の最前線にある太陽光パネルメーカーのOxford PVは、新たに開発したタンデム太陽光パネルの初売を発表した。彼らは2つの太陽電池材料を統合し、耐久性と信頼性のあるパネルを作るという課題に首尾よく取り組んでいる。34%の効率にはまだ程遠いが、彼らの仕事は次世代太陽電池への有望な道筋を示している。
もう1つの考慮事項は、タンデム太陽光パネルで使用される材料の持続可能性である。太陽光パネルに含まれる一部の鉱物の抽出と加工には、莫大なエネルギーを要する可能性がある。シリコンに加え、ペロブスカイト太陽電池は適切に機能させるために鉛、炭素、ヨウ素、臭素の元素を必要とする。ペロブスカイトとシリコンの接続にはインジウムを含む希少材料も必要なため、これらの難題に対処するためにはまだ多くの研究が必要である。
課題はあるものの、科学界と産業界は、自動車、建物、飛行機など、ほぼあらゆるものに統合できるタンデム太陽電池デバイスの開発に取り組んでいる。
高効率ペロブスカイト-シリコンタンデム電池に向けた最近の進展は、太陽光発電の明るい未来を示しており、太陽光エネルギーが世界の再生可能エネルギーへの移行においてより重要な役割を果たし続けることを保証している。
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