2024年01月04日
タンデム型太陽電池｜ペロブスカイトで効率向上！未来のエネルギー革命の鍵
今後さらに太陽光発電を普及させるための鍵を握るのが「タンデム型太陽電池」と言われているのはご存知でしょうか。そもそも、タンデム型太陽電池って何？という方のために基本的な知識から世界での取り組みについても解説します。ペロブスカイト太陽電池を含む、未来のエネルギーについて知識を増やしたい方はご参考にしてください。
目次
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タンデム型太陽電池とは？基本を徹底解説
まず、タンデム（他接合）型太陽電池は、次世代太陽光電池と言われている「ペロブスカイト太陽電池」の大別されるタイプの1つになります。他は「フィルム型」「ガラス型」の2つに分けられます。 従来のシリコン太陽電池は、効率と製造コストの面で限界があり、さらなる革新が求められていました。そんな中、ペロブスカイト太陽電池とタンデム型セルという次世代技術が、太陽光発電の未来を大きく変えようとしています。
タンデム型太陽電池と通常の太陽電池の違い
複数の異なる光吸収材料（太陽電池）を組み合わせて、太陽光を効率的に電気に変換する技術です。現在の太陽光発電では、太陽光のなかでも赤色に近い波長はキャッチできていますが、全ての波長を最大限に活用できない状況です。 ところがタンデム型太陽電池の場合、異なる波長の光に対応する複数の材料を組み合わせて、より効率的に太陽光を電気エネルギーに変換することができます。
従来の「シリコン系太陽電池」や「化合物系太陽電池」よりも高い変換効率が期待され、光の波長ごとに異なる材料を使用して光のエネルギーを最大限に引き出します。
次世代太陽電池の代表ペロブスカイト太陽電池
ペロブスカイト太陽電池の特徴
ここで登場した「ペロブスカイト太陽電池」という新技術には、どんな特徴があるのでしょうか。
近年、急速に開発が進むペロブスカイト太陽電池に注目が集まっています。この新技術は、わずか10年ほどの研究期間で効率を6%から25%以上にまで向上させ、シリコン太陽電池に迫る性能を示しています。 低照度でも発電できるだけでなく、従来の太陽電池では難しかった波長をキャッチすることができ、高い変換効率を実現しています。柔軟性や低コスト製造の可能性があることから、将来的には太陽光発電の主要な技術となることが確実視されています。 このペロブスカイト太陽電池と、従来のシリコン系太陽電池を組み合わせたタンデム型太陽電池は、すでに29%を超える効率を実証しており、太陽光発電の新たな可能性を切り開いています 。
- ＜参考＞タンデム型で発電効率が最大で29.7％に到達！？
- 2024年12月23日に国際学術誌「Nature」にオンライン掲載されたオックスフォード大との共同研究では、スズを含むペロブスカイト太陽電池の「タンデム型」で、２層重ねた時で発電効率が最大で29.7％に到達したことを発表しました。 また、接合数が４以上のオールペロブスカイトタンデム型太陽電池の作製が可能であることを初めて実証しました。 参考： 京都大学
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ペロブスカイト太陽電池のメリット
では、ペロブスカイト太陽電池にはどんなメリットがあるのでしょうか。大きく4つのメリットにわけて詳しく解説いたします。
メリット1：薄くて、軽くて、曲げやすい
ペロブスカイト太陽電池の最も重要なメリットは軽量でフレキシブルな次世代技術が期待できることです。従来のシリコン太陽電池はガラスを含むことから重量があり曲げられませんが、ペロブスカイトは小さな結晶の集合体が膜になっているため、フィルムのように折り曲げることができ軽量化が可能です。そのため、窓や車体といった曲線を持つ構造に適応しやすく、太陽光発電の設置機会が格段に増加します。
メリット2：高い発電効率
タンデム型は複数の層を組み合わせて構成されているため、通常のシリコン太陽電池と比べて高い発電効率を誇ります。なぜなら、各層が異なる波長の光を効率的に吸収することができるからです。これにより、広い光スペクトルを効率的に捕捉しエネルギー変換することができます。この特長は、同じ面積あたりの光エネルギー変換効率が向上し、高い発電効率が実現されます。
メリット3：CO2排出量の削減
シリコンとペロブスカイトなど異なる材料を組み合わせて作られます。特に、ペロブスカイト材料は製造が比較的低エネルギーで、コストが低く抑えられます。これにより、従来のシリコンベースの太陽電池よりも製造過程でのCO2排出量を削減することが期待できます。 さらに、シリコン太陽電池の製造には「800〜1000℃」と非常に高い温度が必要ですが、ペロブスカイト太陽電池の製造には「100℃程度」の低温で製造可能なため製造時のCO2排出量を削減することができます。
メリット4：柔軟性がありコスト削減につながる
上述したようにペロブスカイト太陽電池は柔軟性が高いため、様々な形状や曲面に合わせて設計することができます。この特徴から、建物の窓や車など、従来の平面的な太陽電池では設置が難しかった場所でも導入が可能になり、新しい設置場所の可能性が広がります。
また、軽量化による輸送や取り扱いコストの削減も大きな利点です。タンデム型ペロブスカイト太陽電池は軽量であるため、輸送コストや取り扱いコストが削減されます。特に大規模な太陽光発電システムの場合、設置やメンテナンスの効率が向上することでコスト削減に寄与します。
国際的なタンデム型太陽電池の動向
タンデム型太陽電池の国際的なタンデム型太陽電池の動向を4つご紹介します。
欧州の取り組み
ペロブスカイト太陽電池研究プロジェクト
欧州では、ペロブスカイト太陽電池に関する研究プロジェクトが積極的に進められています。大学や研究機関、企業が連携し、新たな素材や製造プロセスの開発に注力しており、ペロブスカイト太陽電池の効率向上や安定性の向上に寄与しています。
ペロブスカイト太陽電池の商業展開と政策支援
ポーランドのスタートアップ企業「Saule Technologies社」は、2021年に世界で初めてペロブスカイト太陽電池の商業生産を始めました。またイギリスでもタンデム型太陽電池の商品化・量産化・製造プロセスの開発を進めています。
中国の取り組み
大規模な生産拠点を構築
中国はペロブスカイト太陽電池の大規模な生産拠点を構築し、世界的なリーダーとしての地位を確立しています。多くの企業がペロブスカイト技術の開発と製造に注力し、効率向上とコスト削減を実現しました。中でも「LONGi Solar Technology社」は2023年11月、タンデム型太陽電池セルにおいて変換効率33.9%の世界新記録を達成したと発表しています。
政府のサポート
中国政府は再生可能エネルギーへの投資を積極的に進め、ペロブスカイト太陽電池にも力を入れています。研究機関や企業に対して、助成金や税制面での支援を提供し、技術の革新を促進しており、他の国々にも影響を与えています。
タンデム型太陽電池の課題これからの取り組み
タンデム型太陽電池の課題や解決策を、大きく6つに分けてご説明します。
①製造コストの問題と対策
タンデム型太陽電池の課題の一つは、製造コストの高さです。新しい技術や素材の導入に伴う投資が大きく、製品の価格を押し上げています。この問題に対処するためには、大量生産による経済規模メリットを最大限に活かし、製造プロセスの効率向上を図る必要があります。
②性能を向上するための研究開発
製造コストの問題に対処するためには、タンデム型太陽電池の性能を向上させるための研究開発が不可欠です。新しい材料や製造プロセスの開発により、効率を高めつつ製造コストを削減することが期待されています。産業界と研究機関の連携により、技術革新を促進し、課題の克服を目指します。
③耐久性向上への取り組み
タンデム型太陽電池の課題の一つは、耐久性の向上が求められることです。太陽電池は屋外で使用されるため、長期間の安定した性能が必要です。このため、新しい素材の導入や製造プロセスの改善などを通じて、耐久性を向上させる研究が進められています。
④量産プロセスの最適化
タンデム型太陽電池の製造は高度な技術と繊細なプロセスを要するため、量産の難しさがあります。課題を克服するために、製造プロセスを最適化し、効率を高める必要があります。自動化技術や効率的な生産ラインの構築により、大量生産を実現する取り組みが行われています。
⑤環境負荷を減らすための技術開発
製造過程において使用する材料やプロセスによって環境負荷がかかる可能性があります。特に、ペロブスカイト材料や鉛を使う場合、鉛が環境汚染を引き起こすリスクがあるため、鉛フリーの材料や代替材料の開発が急務です。しかし、製造技術の改善によってこの問題は解決されつつあり、低環境負荷で製造可能な技術の開発が進んでいます。
⑥廃棄時のリサイクル問題
タンデム型太陽電池が大量に導入されると、その後の廃棄やリサイクルが大きな課題となる可能性があります。特に、ペロブスカイトを使用したものでは、リサイクル技術がまだ発展途上です。これに対応するために、リサイクル可能な材料の使用やリサイクルプロセスの確立が求められています。適切にリサイクルされれば、環境への負荷を最小限に抑えることができます。
まとめ
タンデム型太陽電池についてご紹介いたしました。タンデム型太陽電池の未来は、効率の向上と低コスト化にあります。ペロブスカイトとシリコンの組み合わせなどにより、従来の太陽電池より高効率で電力を生成でき、限られたスペースでも大きな成果が期待されます。商業化が進むことで、再生可能エネルギーの普及が加速し、持続可能な社会の実現に貢献する技術となるでしょう。環境負荷や安定性の改善が課題ですが、今後の研究で解決が進むと予測されます。
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