公開日: 2024年9月25日 午後5時21分 BST
セバスチャン・ボニーラ博士
オックスフォード大学 材料学准教授
屋根や大規模なエネルギー ファームに設置されたソーラー パネルは、世界中の多くの地域で当たり前の光景になっています。曇り空で雨の多い英国でも、太陽光発電は発電の主要プレーヤーになりつつあります。
この太陽光発電の急増は、2 つの重要な進歩によって推進されています。まず、科学者、エンジニア、産業界の人々が、数十億枚のソーラー パネルを製造する方法を学んでいます。製造の各ステップは、非常に安価に製造できるように細心の注意を払って最適化されています。2 番目に、それは最も重要なことですが、パネルの電力変換効率 (太陽光をどれだけ電気に変換できるかを示す指標) が容赦なく向上していることです。
ソーラー パネルの効率 が高ければ高いほど、電気代が安くなります。こう聞くとあなたは、太陽光エネルギーはどれほど効率的になるのか、また、電気料金が下がるのか、と疑問に思うかもしれません。
現在市販されているソーラー パネルは、太陽光の約 20 ～ 22% を電力に変換します。しかし、ネイチャー誌に掲載された新しい研究 によると、タンデム太陽電池 (tandem solar cells) と呼ばれる新しい技術を活用することで、将来の太陽電池パネルは34%という高い効率を達成できる可能性があるという。この研究は、タンデム太陽電池の記録的な電力変換効率を実証しています。
タンデム太陽電池とは？
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作られている。現在、ほぼすべての太陽電池パネルは、マイクロチップの中核と同じ材料であるシリコン (silicon) で作られている。シリコンは成熟した信頼性の高い材料であるが、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に、科学者はタンデム太陽電池に目を向けた。タンデム太陽電池は、2つの太陽電池材料を積み重ねて太陽エネルギーをより多く捕らえる。
ネイチャー誌の新しい論文では、エネルギー大手 LONGi の研究者チームが、シリコンとペロブスカイト (perovskite) 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。太陽光収集が改善されたおかげで、新しいペロブスカイト-シリコンタンデムは、世界記録の33.89%の効率を達成した。
ペロブスカイト 太陽電池は、20 年足らず前 に発見されましたが、既存のシリコン技術を補完する理想的な材料として登場しました。その秘密は、光吸収の調整可能性 (light absorption tuneability) にあります。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 (blue light) を捉えることができます。
このようにして、エネルギー損失が回避され、タンデム全体の効率が向上します。III-V 半導体と呼ばれる 他の材料 もタンデムセルに使用され、より高い効率を達成しています。問題は、製造が難しく、高価であるため、集中光と組み合わせて小さな太陽電池しか作れないことです。
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ます。ペロブスカイト太陽電池は驚異的な開発ペースを維持しており、効率 (研究室の単一セルの場合) はわずか 10 年で 14% から 26% に上昇しました。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になり、世界がエネルギー生産の脱炭素化に必要とする数兆ワットに太陽光発電技術を拡大する道筋が示されました。
図表: Record Solar Cell Efficiency。タンデム太陽電池には大きな可能性があります。NREL、著者提供 (再利用なし) （注）この図表は日本語版では表示できませんので原典を参照してください。
太陽光発電のコスト
記録破りの新タンデム太陽電池は、太陽エネルギーをさらに 60% 捕捉できます。これは、同じエネルギーを生成するために必要なパネルの数が少なくなり、設置コストと太陽光発電所に必要な土地 (または屋根の面積) が削減される ことを意味します。
また、発電所の運営者は、より高い利益で太陽エネルギーを生成することになります。ただし、英国では 電気料金が設定されている方法 のため、消費者は電気料金の違いに気付かない可能性があります。実際の違いは、面積が制限され、スペースを効果的に活用する必要がある屋上ソーラー設備について考えたときに現れます。
屋上ソーラー発電の価格は、2 つの主要な基準に基づいて計算されます。1 つ目は、屋根にソーラーパネルを設置する総コスト、2 つ目は、25 年間の運用でどれだけの電力を生成するかです。設置コストは簡単に算出できますが、自宅で太陽光発電を行うことで得られる収益は、もう少し微妙です。送電網からのエネルギーの使用を減らすことで、特にコストがかかる時期には節約できます。また、余剰電力の一部を送電網に売却することもできます。
ただし、送電網のオペレーターは、この電力に対して非常に低い価格を支払うため、バッテリーを使用してエネルギーを蓄え、夜間に使用できるようにしたほうがよい場合もあります。典型的な英国の家庭の平均的な考慮事項を使用して、パネルの効率に応じて、消費者が屋上ソーラー電気から得られる 現金節約を計算しました。
設置コストを増やすことなくパネル効率を 22% から 34% に向上させることができれば、電気料金の節約額は年間 558 ポンドから 709 ポンドに増えます。現金節約額が 27% 増えることで、曇り空の英国でも太陽光発電の屋上設置が極めて魅力的になります。
では、これらの新しいソーラーパネルはいつ購入できるのでしょうか?
研究が進むにつれ、この技術を拡大し、長期的な耐久性を確保するために多大な努力が払われています。記録破りのタンデムセルは研究室で作られ、切手よりも小さいです。このような高い性能を平方メートルの面積に反映させることは、依然として大きな課題です。
しかし、私たちは進歩しています。今月初め、ペロブスカイト技術の最前線に立つソーラーメーカーであるオックスフォードPVは、新開発のタンデムソーラーパネルの 初販売 を発表しました。彼らは、2つのソーラー素材を統合し、耐久性と信頼性のあるパネルを作るという課題にうまく取り組みました。まだ34%の効率には程遠いですが、彼らの仕事は次世代のソーラーセルへの有望な道を示しています。
もう1つの考慮事項は、タンデムソーラーパネルに使用される材料の持続可能性です。ソーラーパネルの一部の鉱物の抽出と処理には、膨大なエネルギーを消費 する可能性があります。シリコンに加えて、ペロブスカイト太陽電池は、適切に機能するために、鉛 (lead)、炭素 (carbon)、ヨウ素 (iodine)、臭素 (bromine) などの元素をコンポーネントとして必要とします。ペロブスカイトとシリコンを結合するには、インジウム (indium) と呼ばれる元素を含む希少な材料も必要となるため、これらの困難に対処するにはまだまだ多くの研究が必要です。
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、ほとんどあらゆるものに組み込むことができるタンデム型太陽光発電装置の開発に注力し続けています。
ペロブスカイトとシリコンの高効率タンデム型セルに向けた最近の開発は、太陽光発電の明るい未来を示しており、再生可能エネルギー (renewable energy) への世界的な移行において、太陽光が今後もより重要な役割を果たすことを確実にしています。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4ones(Koichi Ikenoue) の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
