タンデム型太陽電池とは、2つ以上の異なる半導体材料を積み重ねた太陽電池のことで、タンデムとは、「縦に並んだ」「直列に並んだ」などの意味を持つ英単語に由来している。なぜ2つ以上の異なる半導体を重ねるかというと、波長の異なる光を同時に取り込むことができるからである。太陽の光は、おもに紫外線・赤外線・可視光線から成っているが、それぞれの波長に対応した複数の半導体で太陽光を受けると、一つの半導体で太陽光を受けるより、その分多くの光を取り込むことができ、発電効率が高くなる。タンデム型太陽電池は、おもに多結晶シリコン半導体にアモルファスシリコン半導体やペロブスカイト半導体を組み合わせて作られている。近年特に注目されているのが、ペロブスカイト半導体を使用したタンデム型太陽電池である。
ペロブスカイトとは灰チタン石（かいチタンせき）のことで、その独特の結晶構造は「ペロブスカイト構造」と呼ばれている。この結晶構造を持つ物質は他にもあり、またさまざまな物質を合成して作ることもできるので、それらを総称して「ペロブスカイト」と呼ばれるようになった。これまでペロブスカイトは圧電材料などに広く利用され、有機物を含むペロブスカイト結晶は、電力を光へ変換する発光材料としての研究が行われてきた。これを太陽電池に使うことを桐蔭横浜大学教授の宮坂力氏のグループが考え出し、電解液を含む色素増感太陽電池に組み込み光から電力に変換することに成功した。しかし変換効率は3％台であまり注目されず、その数年後、オックスフォード大学と産総研の共同研究で固体型太陽電池の開発に成功し、効率10％以上を達成したことで世界に広がり始めた。
ペロブスカイトとシリコンの「タンデム」太陽電池を商業化している企業は、このパネルがより効率的で、より安価な電力につながる可能性があると見ている。ドイツのブランデンブルク・アン・デア・ハーフェルの郊外に、太陽光発電の秘密が詰まった2階建ての工場がある。この工場では、英国のオックスフォードPV社がペロブスカイトを使った商業用太陽電池を生産している。手入れされていない芝生と雑草が生い茂る駐車場に囲まれた工場はこのような変革をもたらす可能性のある技術にとってはささやかな揺りかごだが、同社の最高技術責任者であるクリス・ケースは、明らかにこの場所に惚れ込んでいる。「ここは私の夢の集大成です」と彼は言う。同社は、ペロブスカイトがついに再生可能エネルギーへの世界的な移行を推進する準備が整ったことに賭けている十数社のうちの1社である。ペロブスカイトを使ったニッチ（大手企業が狙わないような、規模が小さく見逃しやすい事業領域）なPV製品はすでにいくつか市場に出回っているが、今年の発表は、さらに多くの製品が市場に加わることを示唆している。ケース氏によれば、例えば来年半ばには、オックスフォードPVのセルを使ったソーラーパネルがエンドユーザーの手に渡るはずだという。5月には、大手シリコン太陽電池メーカーであるハンファQセルズ（本社：ソウル）が、2024年末までに稼働可能なパイロット生産ラインに1億米ドルを投資する計画を発表した。
シリコンはソーラーパネルの95％を占める主力素材である。オックスフォードPVやQセルズなどは、シリコンに取って代わるのではなく、シリコンにペロブスカイトを重ねることで、いわゆるタンデム型セルを作ろうとしている。それぞれの材料が太陽光の異なる波長からエネルギーを吸収するため、タンデム型はシリコン・セル単体よりも少なくとも20％以上の電力を供給できる可能性がある。ペロブスカイトの支持者たちは、「この余分な電力はタンデム型セルの追加コストを補って余りある。私たちの最初の最大の需要は公共事業からのものです。」と言う。
太陽光発電の次のスター素材に隠された現実
ペロブスカイト・シリコン・タンデムが市場に近づくにつれ、興奮は沸騰し、「革命的な」「奇跡の素材」が「世界を変えようとしている」と予測する見出しが躍るようになった。現実には、太陽電池市場を変革するための戦いにおいて、業界は少なくとも二つの大きな課題に直面している。
第一に、発表された研究によると、ペロブスカイトは湿気や熱、さらには光にさらされると、シリコンよりもはるかに早く性能が低下するという。オックスフォードPVは、この問題を克服する民間研究を行ったという。ペロブスカイトとシリコンのタンデム型太陽電池の開発を率いるQセルズのウェハーおよびセル研究開発ディレクター、ファビアン・フェルティグ氏は、「商業的な製造においては、安定性がまだ残っている重要な課題だと言えるでしょう」と言う。
第二に、ペロブスカイトは、少なくとも短期的には、太陽光発電の成長にはほとんど関係がないと見るアナリストもいる。シリコンモジュールは過去10年間で驚くほど安価で高効率になり、中国の企業は驚くべきスピードで製造能力を拡大し続けている。2022年、世界の太陽光発電の発電容量は約1.2テラワット（TW）に達し、世界の発電量の約5％を占めるまでになった。エネルギー戦略家は、気候変動目標を達成するためには、2050年までに75TWが必要になると指摘している。そのためには、2030年半ばまでに年間3TW以上の設置が必要となるが、シリコンPV産業はそれを達成すると予測されており、グリーン・テクノロジー分野の中では珍しく軌道に乗っている。
スイスのチューリッヒを拠点とするコンサルタント会社BloombergNEFのソーラー・アナリストのジェニー・チェイスは、「今ある技術は、世界中で使えるだけの太陽光発電を行うのに十分なものであることは間違いない、ペロブスカイトは、その最大の試練に直面しようとしている。つまり、悪名高い競争の激しい太陽光発電市場の残酷な経済性との出会いである。」と述べている。
破られた記録
ペロブスカイトへの熱意は、結晶とそれを使った太陽電池の両方の組成を調整することによって達成され、その性能の目覚ましい向上によって支えられてきた。2009年、ヨウ化メチルアンモニウム鉛という単純なペロブスカイトから作られた太陽電池は、太陽光エネルギーのわずか3.8％を電気に変換しただけだった。現在、ペロブスカイト材料だけで作られたセルの効率記録は26.1％である。これは、チャンピオンのシリコン・セルよりわずか数パーセント低いだけである。さらに、ペロブスカイト型セルは非常に薄い光吸収層を必要とし、その材料は一般的に低コストで豊富である。そのため、もしペロブスカイト電池がシリコン電池の規模で生産されれば、エネルギーと材料のフットプリント（影響が及ぶ範囲）が低くなると提唱者は主張している。
しかし、こうした記録的な効率比較は商業的な現実を反映していない。研究室で作られる最高のペロブスカイト型セルは通常、切手よりも小さく、現在のトップはゴマ粒に近いサイズだ。多くの場合、スピンコーティングと呼ばれるプロセスで、材料の溶液をスピニングプレートに滴下して作られるが、大規模な製造には現実的ではない。オックスフォードPVの共同設立者兼最高科学責任者である英国オックスフォード大学のヘンリー・スナイスは、「非常に高効率であるという報告のほとんどには、明らかに不安定になりそうな成分が含まれています。」と言う。大型セルを製造し、ソーラーパネルに組み込むという現実的な問題が、現実の効率をさらに抑制している。
市場に出ている非タンデム型ペロブスカイト型セルは、効率が比較的低く、寿命も短い。ワルシャワを拠点とするサウル・テクノロジーズ社は、小型の電子値札に電力を供給したり、エネルギーハーベスティングの日除けとして機能するフレキシブルなペロブスカイト・セルを製造しており、完全な太陽光での効率は10％、寿命は「数年」である。中国の杭州にあるMicroquanta社は、地元の養殖場を含む顧客に5メガワット（MW）の電力を発電するのに十分なペロブスカイト太陽電池パネルを納入した。ペロブスカイト太陽電池の発電効率は約13％で、その性能はシリコンモジュールの2倍の速さで低下する。「現時点では、ペロブスカイトはシリコンほど安定していないことを認めざるを得ません。」と同社の共同設立者で最高技術責任者（CTO）のBuYi Yanは言う。
市販のシリコンセルは通常、A5用紙より大きく、長さ2メートルのモジュール（大型パネルやアレイの構成要素）に組み立てられ、その効率は約22～24％だ。モジュールは通常、25年後に元の性能の少なくとも80％を保証する保証が付いている。
これらの製品を構成するセルの大部分とシリコンウエハーのほとんどすべてが中国で製造されている。ペロブスカイトが2009年に登場して以来、規模の経済と技術の向上により、ソーラーパネルのコストは約90％削減されている（太陽光発電は信じられないほど安い）。実際、現在では、シリコン・パネルを設置し、電力網に接続するためのコストは、そもそもシリコン・パネルを作るためのコストよりも高くなっている。「シリコン・ソーラー・アレイの耐用年数を通じた一般的な発電コストは、現在では1キロワット時あたり0.03～0.06米ドルと低く、ほとんどの日照国で最も安い電力源になっている。」とチェイス氏は言う。
「このシリコンのサクセスストーリーに比べれば、ペロブスカイト製品が太陽光発電市場を根底から覆す可能性はほとんどない。25年も持たない太陽電池モジュールを欲しがる人はいません。それだけの価値がないのです。」とチェイスは言う。
タンデム技術
しかし、ペロブスカイト太陽電池の支持者たちは、タンデム太陽電池は他の点でシリコンより優れていると言う。シリコン電池の性能はピークに近づいている。理論的には、効率は29％をはるかに超えることはなく、実用的なモジュールは24～27％3あたりが限界だろうと予測されている。ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学（MIT）の太陽光発電研究者、トニオ・ブオナッシシ氏は「シリコンで合理的にできることの限界に達している。」と言う。しかし、ペロブスカイト型セルを追加すると、理論上の最大効率はおよそ45％になる。「パネルから25～50％高い電力を引き出せる可能性がある。」とコロラド大学ボルダー校のペロブスカイト研究者マイケル・マクギーは言う。
典型的なタンデム（二つのものが連結されている状態や、協力して働くことを意味する）デバイスでは、ペロブスカイト・セルはシリコン・セルの上に配置される。各セルは複数の層で構成され、それぞれが光を電気に変える役割を果たす。太陽光が最初にペロブスカイトに当たると、材料から電子が放出され、正電荷を帯びた「正孔」が残る。電子は隣接する電荷収集層へと移動し、さらに電極へと向かう。同様のプロセスがシリコン・セルでも起こり、ペロブスカイト・セルが見逃した低エネルギーの光子を吸収するのに優れている。ペロブスカイト型セルの化学とナノスケール工学に手を加えることで、性能の向上がもたらされ、より優れたタンデム型セルへと急速に変化した。11月上旬、西安に本社を置く中国の太陽電池大手LONGiは、独自に検証された33.9％という記録的な効率を持つ1平方センチメートルのタンデムセルを製造したと発表した。
商業規模のタンデムセルでこのような効率を実証したメーカーはまだないが、オックスフォードPVは5月、生産ラインから流出した最高性能のペロブスカイト・シリコン・タンデムセル（効率28.6％）を発表した。このデバイスは一般的なシリコンセルより若干小さかったが、同社のブランデンブルク工場では現在、より大型のタンデムセルを製造しており、約24％の効率を提供するフルサイズのモジュールに組み立てられている。
質素なアプローチ
オックスフォードPVの製造工程は、ほとんどが中国から輸入されるシリコンウエハーから始まる。ウェハーは、連結した冷蔵庫のような一連のチャンバーを通過する。その内部で、物理的気相成長法と呼ばれるプロセスにより、イオンの雲がセルの層を形成する。溶液を使う方法よりも時間がかかるが、非常に高品質の膜ができる。同様のプロセスでペロブスカイト型セルが作られる。
同社は2016年、ドイツのメーカーであるボッシュからブランデンブルク工場を購入した。「当初は、ほぼすべてオークションか中古で手に入れました」とケース氏は喜びをあらわにする。ソーラー・イノベーションに対する彼の質素なアプローチは、1980年代にさかのぼる。熱狂的な20代だった彼は、自分の「ソーラーハウス」用のモジュールを作るために、値引きされた太陽電池の山を買った。このDIY的アプローチは、工場でも光っている。ケース氏は、オックスフォードPVのセルがボッシュのレガシー機器と互換性を持つように、特別に工具を使ったフレームを作らせた。
完成したタンデムは、オックスフォードPVの顧客である主にヨーロッパのソーラーパネル・メーカーに納品され、彼らはセルをより大きなモジュールに組み立てる。今のところ、これらのメーカーは独自にモジュールのテストを行っている。すでにモジュールを発注している大手建設会社やエネルギー会社を含むエンドユーザーに設置されるのは、2024年後半になる可能性がある。オックスフォードPVの革新的なペロブスカイト・オン・シリコン・タンデム太陽電池は太陽光発電に革命をもたらすと期待されている。フル稼働させれば、年間50メガワット（約500万個）のセルを生産することができる。しかし、毎年ギガワット（GW）のセルを生産している中国の巨大なシリコン・ソーラー発電所に比べれば、雑魚同然である。また、規模が小さいため、オックスフォードPVのタンデム型太陽電池の製造コストはシリコン型太陽電池の2倍かかる。しかし、オックスフォードPVがギガワット規模の生産も可能になれば、この価格差は劇的に縮まり、タンデム型セルの発電コストはシリコン・モジュールのそれ以下になるはずだとケースは言う。
安定性への挑戦
ブランデンブルク工場から車で90分ほど南下したタールハイムでは、オックスフォードPVの競合他社がタンデムセルの試作品をテストしている。欧州の補助金が枯渇し、アジア企業が太陽光発電市場を支配するようになる以前、タールハイムとその周辺地域は太陽光発電製造の中心地であり、ソーラーバレーとも呼ばれていた。Qセルズはここに巨大な太陽光発電の研究開発施設を構えている。その代わり、小型のロボット草刈り機が敷地内を小走りに走り回り、草をきれいに刈り取ってからソーラー発電用のガレージに戻る。敷地内の広大な建物の一角で、Qセルズはシリコンモジュールの堅牢性を確認するための「加速経年劣化」試験を実施している。湿度の高いサウナのような環境下にモジュールを約4ヵ月間密閉し、明るい模擬太陽光にさらしたり、人工の雹を浴びせたりする。(これらのテストは業界標準ではあるが、Qセルズは特に過酷な条件を用いていると自負している）。Qセルズは、タンデム型太陽電池についても同様の試験を実施し、その結果を実際の使用年数における出力低下の予測に反映させている。
宇宙空間のソーラーパネルで地球にクリーンエネルギーを供給できるか？
安定性試験の詳細が、ペロブスカイト・タンデムの成否を分けるかもしれない。ペロブスカイト太陽電池の効率に関する記録は見出しを飾るが、寿命に関する研究が大きく進展し始めたのはここ数年のことである。「キャンベラにあるオーストラリア国立大学のペロブスカイト研究者、ヘピング・シェンは言う。
ペロブスカイトには空気や水に触れると分解するという厄介な性質があるが、これはタンデムセルを不浸透性のコーティングで包むことで防ぐことができる。しかし、シリコンとは異なり、ペロブスカイトにはカプセル化では解決できない劣化メカニズムも組み込まれている。例えば、ペロブスカイトのイオンの一部は動作中に移動したり、隣接する層に逃げ込んだりする可能性がある。これによって欠陥が生じ、電子や正孔が電気に変換される前に再結合し、電子や正孔を生み出したエネルギーを浪費してしまう。光と熱はこうした劣化メカニズムを悪化させる傾向がある。
ペロブスカイトのイオンを適切な場所に保つため、研究者たちはその組成を微調整し、ナノメートル厚の保護層をセルに追加した。こうした対策が効果的であることを証明することが、Qセルズも参加して2022年11月に発足した産学パートナーシップ、欧州連合（EU）の1900万ユーロ（約2070万米ドル）のPEPPERONIプロジェクトの重要課題である。この4年間のプロジェクトでは、30年以上にわたって確実に作動し、大量生産に適した効率26％のタンデム型モジュールの開発を目指している。これが大規模に生産できれば、1キロワット時あたり0.025ユーロというシリコン太陽光発電に匹敵するコストで発電できるようになるとフェルティグは言う。
ベルリン工科大学のペロブスカイト研究者であるスティーブ・アルブレヒトは、「材料、成分、プロセス、すべてが、近い将来、この技術を非常に大量にスケールアップできる方向に向かっています」と言う。彼はまた、PEPPERONIに関わっているベルリンのヘルムホルツ材料エネルギーセンターのチームを率いている。
加速エージング試験は有望な結果をもたらしているが、タンデム型モジュールの真のテストは、単に屋外に設置し、その性能を何年もモニターすることである。これまでのところ、屋外での研究結果はわずか数件しか発表されておらず、そのほとんどはタンデムを商品化している企業ではなく、学術グループによるものである。サウジアラビアのキング・アブドラ科学技術大学（KAUST）の太陽光発電研究者であるステファン・デ・ウルフは、「単にデータが少ないだけです」と言う。彼のチームは2月、サウジアラビアの高温多湿条件下でのタンデム型セルの急速な劣化について報告した。Qセルズの太陽電池モジュールは、ドイツのタールハイムにあるQセルズの技術・イノベーション本部にあるモジュール・テスト・センターで加速試験チェックを受けている。
Qセルズは、タールハイムの施設でいくつかの屋外試験を実施しているが、その詳細については明らかにしていない。オックスフォードのPVに関しては、加速経年劣化試験と2、3年の屋外試験を行ったとケースは述べている。これらのテスト（結果は公表されていない）を総合すると、最高のタンデム型セルは運転開始後1年で効率が1％程度しか低下せず、その後はさらに低下率が小さくなるという。今のところ、タンデムセルは従来のシリコンモジュールと同じような寿命を持つはずだと顧客には伝えている。
ペロブスカイトに含まれる有毒な鉛の存在が懸念されてきたが、十分にカプセル化されたパネルであれば、その脅威はほとんどないことを示唆する研究が増えている。また、標準的なシリコンパネルのはんだ接合点には、ペロブスカイトパネル全体の10倍以上の鉛が含まれている可能性があるとの指摘もある。それでもほとんどの企業は、寿命を迎えたパネルを管理しリサイクルするために、引き取りプログラムを計画している。
多くのIF（もし）がある
チェイスは、ペロブスカイト企業の希望が実現すれば、タンデム型が提供する高い電力密度が消費者の間で人気を博す可能性があることに同意する。「もしそれが実現し、安定していて、製造装置や製造工程にそれほどコストがかからないとしたら、それは非常にエキサイティングなことだ。しかし、それにはたくさんのifがある」。ペロブスカイトの研究者たちは、その "もしも "を現実にできると確信している。彼らは、住宅所有者は屋上パネルからより多くの電力を得たいと切望しており、ヒートポンプや電気自動車など、電化が進む住宅の付属品に給電できるタンデム型にプレミアムを支払うかもしれないと付け加えた。「現在、屋上面積は家庭が必要とする面積に対して小さすぎる傾向にある。そのため、1平方メートルあたりより多くのワットを出力できることは大きな利点です」と、タンデムを開発しているカリフォルニア州パサデナのCaelux社の社長兼創業者であるジョン・イアネリ氏は言う。
ペロブスカイトの耐久性を求めて
研究者や企業の中には、ペロブスカイトがシリコンの25年保証に匹敵する必要はないかもしれないと主張する者もいる。ペロブスカイトの性能は急速に向上しているため、モジュールの寿命が15年以上経過して性能が低下した場合は、単純に優れたユニットと交換することができる。このようなリパワリング（経年劣化した太陽光発電設備を新型モデルへの交換をすることで発電量を増強すること）戦略は、より効率的な技術による経済的メリットが、老朽化したモジュールを取り外して交換するコストを上回るような、古いシリコン太陽光発電所ではますます一般的になっている。
政治的な配慮もペロブスカイトへの投資を後押ししている。欧州では、再生可能エネルギーの拡大はロシアのガス供給への依存度を下げることを意味し、米国では2022年インフレ抑制法による支出や減税を追い風に、中国の太陽光発電サプライチェーンへの依存度を下げようとしている。そのための最善の方法は、シリコンを完全に使わないことだと主張する企業もある。いくつかの企業は、スペクトルの異なる部分を吸収するように調整された二つのペロブスカイト材料を含むオール・ペロブスカイト・タンデムを開発している。シリコンフリーのタンデムに取り組んでいるカリフォルニア州サンカルロスのスウィフト・ソーラーの共同設立者であるトーマス・レイテンス氏は、「これはサプライチェーンが大幅に簡素化されることを意味します」と語る。
スウィフト・ソーラーは、4月に米エネルギー省（DOE）から900万ドルの資金を獲得した、超安定ペロブスカイトを用いた効率的で先進的なモジュールのためのタンデム“TEAMUP”と呼ばれる米国の産学パートナーシップの一員でもある。マクギーが率いるTEAMUPの主な目的は、効率28％以上、性能劣化が年間1％以下のペロブスカイト・シリコン・タンデム・パネルを開発することである。米国でペロブスカイト型太陽電池に取り組んでいる企業のほとんどは、このパートナーシップか別のプロジェクトに参加している。MITのブオナッシシが率いるこのプロジェクトは、ADDEPT（Accelerated Co-Design of Durable, Reproducible, and Efficient Perovskite Tandems）と呼ばれている。それでも、多くの中国企業もペロブスカイト・シリコン・タンデムの開発に取り組んでおり、このデバイスが成功すれば、市場参入の態勢が整うかもしれない。シェンによれば、例えばLONGi社では100人以上の従業員がペロブスカイトの研究開発に従事しているという。
「太陽光発電の製造で中国に賭けるのは非常に賢明ではないと思います。」とチェイスは言う。要するに、ソーラーパネルの効率は、もはや太陽光発電の世界展開の制約条件にはならないということだ。その代わりにボトルネックとなるのは、ソーラー用の電力網インフラが整っていないことと、余剰電力を蓄えるためのバッテリーが高コストであることだ。彼女は、ペロブスカイト・タンデムが成功するかどうかは、今後10年ほどの間は関係ないと主張する。「幸運を祈りますが、ペロブスカイトがあろうとなかろうと、太陽光発電は巨大なものになるでしょう。」と彼女は言う。しかしスナイスは「シリコン技術の向上がペロブスカイトを組み込んだセルの市場空間を狭めているという意見には同意しない。シリコンPVの改良はタンデム型にも恩恵をもたらし、タンデム型はこれまで以上に魅力的なものになる。」とスナイスは言う。「我々は文字通りシリコンの上に成り立っている。シリコンが良くなれば、我々も良くなるのです。」
上記は"Nature 623, 902-905 (2023)の抄訳及びその他の情報" を参考に編集してあります。下記ウエブサイトを参照して下さい。
https://doi.org/10.1038/d41586-023-03714-y