オックスフォード大学の研究者たちが、従来のシリコン製ソーラーパネルに匹敵する効率を持ちながら、驚くほど薄く柔軟な新しい太陽光発電材料を開発した。この新技術は、人間の髪の毛の100分の1ほどの厚さしかない光吸収素材を用いて、リュックサックやスマートフォン、自動車の屋根など、あらゆる表面にインクジェット印刷のように塗布することで、安価でクリーンなエネルギーを生み出すことができる。これは大規模な太陽光発電所の必要性を減らし、日常のあらゆる物体を発電源に変える可能性を秘めた画期的な物だ。
ペロブスカイト素材が革新的な超薄型ソーラーパネルを実現する
オックスフォード大学物理学部の科学者たちが開発したこの新しい発電材料は、さまざまな日用品や建物の表面にコーティングできる。この材料の最も注目すべき特徴は、その驚異的な薄さと柔軟性にある。わずか1ミクロン強の厚さで、従来のシリコンウェハーの約150分の1という薄さを実現している。この特性により、ほぼあらゆる表面に適用可能となり、太陽光発電の可能性を大きく広げている。
この新技術の特筆すべき点は、その効率性と柔軟性にある。研究チームは、「マルチジャンクション」と呼ばれる、独自の技術を用いて、複数の光吸収層を1つの太陽電池に積層することで、より広範囲の光スペクトルを利用可能にしている。その結果、同じ量の日光からより多くの電力を生成することが可能となった。
オックスフォード大学のShuaifeng Hu博士は次のように述べている。「私たちのスタッキングつまりマルチジャンクションアプローチを用いた実験では、わずか5年間で電力変換効率を約6%から27%以上に引き上げました。これは、単層フォトボルタイクスが今日達成できる限界に近いものです。将来的には、このアプローチによりフォトボルタイクデバイスの効率が45%を超える可能性があると考えています」と、今後の更なる発電効率の進展も匂わせている。
この新材料の効率性は、日本の産業技術総合研究所（AIST）によって独立して認証され、27%以上のエネルギー効率を達成したことが確認された。これは、従来のシリコン太陽電池と同等の性能である。
この革新的な技術の中核を成すのが「ペロブスカイト」と呼ばれる材料である。ペロブスカイトは、特定の結晶構造を持つ化合物の総称で、太陽光を電気に変換する能力が非常に高いことが知られている。従来のシリコン太陽電池と比較して、ペロブスカイト太陽電池は製造が容易で、より低コストで生産できる可能性がある。また、その薄さと柔軟性により、従来の太陽電池では不可能だった用途にも適用できる。
オックスフォード大学物理学部のJunke Wang博士は、この技術の応用可能性について次のように語っている。「安価な太陽光発電を生み出すため、ペロブスカイトコーティングを自動車や建物の屋根、さらには携帯電話の背面など、より広範な種類の表面に適用することを想像できます。このように太陽エネルギーを生成できれば、長期的にはシリコンパネルの使用や太陽光発電所の建設の必要性が減少すると予想されます」。
だが、この技術の実用化には、まだいくつかの課題が残されている。特に、ペロブスカイトの安定性の問題は、これまでこの技術の商業化を妨げてきた要因の一つだ。研究室環境では、一部のコーティングが短期間で溶解または分解してしまうため、今日の太陽電池パネルほど耐久性がないと考えられている。研究者らは現在、この素材の寿命を改善するための研究を進めている。
しかし、この技術が実用化されれば、太陽光発電の在り方を大きく変える可能性がある。オックスフォード大学のHenry Snaith教授は、この研究には強い商業的可能性があり、建設業や自動車製造業などの産業で利用できると述べている。「私たちの研究室で実証された太陽光発電材料と技術の最新イノベーションは、既存の建物、車両、物体を利用してより持続可能かつ安価に太陽エネルギーを生成する、新しい産業のプラットフォームになる可能性があります」。
この技術の実用化に向けて、オックスフォード大学からスピンアウトし、Snaith教授が共同創設者兼最高科学責任者を務めるOxford PV社は、ドイツのブランデンブルク・アン・デア・ハーフェルにある工場で、ペロブスカイト太陽電池の大規模製造を開始した。これは世界初の「ペロブスカイト・オン・シリコン」タンデム太陽電池の量産ラインとなる。
しかし、この技術の商業化には課題もある。Snaith教授は、「当初、製造開始の場所として英国の用地を検討しましたが、政府はまだ欧州の他の地域や米国で提供されている財政的・商業的インセンティブに匹敵するものを提供していません」と述べている。Snaith教授は、英国が太陽エネルギーを純粋に新しい太陽光発電所の建設という観点からのみ考えていると指摘し、真の成長はイノベーションの商業化から生まれると主張している。
Snaith教授は、英国が科学的イノベーションでリードしていることを示しつつも、「新たなインセンティブとこのイノベーションを製造に転換するためのより良い道筋がなければ、英国はこの新しいグローバル産業をリードする機会を逃すでしょう」と警告している。
この技術は、太陽光発電のコスト削減と持続可能性の向上にも大きく貢献する可能性がある。2010年以降、太陽光発電の世界平均コストは約90%低下し、化石燃料による発電よりも約3分の1安価になっている。ペロブスカイトのような新材料の使用により、シリコンパネルや専用の太陽光発電所の必要性が減少し、さらなるコスト削減が期待できる。
また、地上ベースの太陽光発電所が多くの土地を必要とし、しばしば農業産業と再生可能エネルギー設備を推進する政府や企業との間で対立の火種となっている問題に対しても、解決策を提供する可能性がある。日常的な物体を発電源として活用することで、大規模な太陽光発電所の必要性を減らしつつ、エネルギーコストを引き下げることができるかもしれない。
ただし、Wang博士は太陽光発電所の完全な廃止を提唱しているわけではないと述べている。「十分な量の太陽エネルギーを生成するには、やはり広大な面積や表面が必要です。」と彼は説明している。
この新技術は、太陽光発電の方法を根本から変える可能性を秘めている。従来の太陽光パネルに依存せず、日常的な物体や建物の表面を発電に利用できるようになれば、再生可能エネルギーの普及がさらに加速する可能性がある。今後の技術の発展と実用化の進展が注目される。
論文
- Solar Energy Materials and Solar Cells: Stability of perovskite solar cells
参考文献
- University of Oxford: Solar energy breakthrough could reduce need for solar farms
- CNN: Razor-thin solar panels could be ‘ink-jetted’ onto your backpack or phone for cheap clean energy
研究の要旨
ペロブスカイト太陽電池の性能はかつてない速さで向上しており、現在、効率は20％を超えている。 この技術は、安価な溶液処理に対応しているため、特に有望である。 薄膜太陽電池製品が実用化されるためには、環境安定性に関するIEC 61646の試験基準に合格しなければならない。 現在、ペロブスカイト太陽電池の安定性の低さが商業化の障壁となっている。 この問題を引き起こしている主な原因は、水分と接触した際のペロブスカイト層の不安定性であるが、デバイス内の他の層や界面の安定性問題を探ることも重要である。 このレビューで論じた安定性の問題は、ペロブスカイト吸収体、電子輸送層、正孔輸送層、その他のバッファ層、電極などの層間の相互依存関係から、デバイスをシステム全体として見る必要性を強調している。 また、測定によるヒステリシスや標準的な試験プロトコルの必要性など、デバイスの安定性に関するその他の問題についても議論する。 ペロブスカイト太陽電池が要求される安定性を達成するためには、ペロブスカイト吸収層の本質的な安定性を向上させること、デバイスの形状を注意深く設計すること、そして湿気からデバイスを密封する耐久性のある封止材を見つけることに、今後の研究は焦点を当てなければならない。
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