記録破りの新しいソーラーパネルは60％も多くの電力を生産します

この記事は クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversation から転載されました。

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は、世界中の多くの地域で当たり前の光景となっています。どんよりと曇り空で雨の多い英国でも、太陽光発電は電力発電の主要プレーヤーになりつつあります。

太陽光発電の急成長は、2つの重要な進歩によって支えられています。まず、科学者、エンジニア、そして産業界の人々が、数十億枚単位の太陽光パネルの製造方法を研究していることです。製造工程のすべてが綿密に最適化されており、非常に安価に生産できます。次に、そして最も重要なのは、パネルの電力変換効率（太陽光をどれだけの電力に変換できるかを示す指標）が着実に向上していることです。

太陽光パネルの効率が高ければ高いほど、電気代は安くなります。こう考えると、「太陽光発電は一体どれほど効率化できるのだろうか？そして、光熱費は減るのだろうか？」と疑問に思うかもしれません。

現在市販されている太陽電池パネルは、太陽光の約20～22%を電力に変換しています。しかし、Nature誌に掲載された新たな研究によると、タンデム太陽電池と呼ばれる新技術を活用することで、将来の太陽電池パネルは最大34%の変換効率を達成できる可能性があることが示されました。この研究は、タンデム太陽電池の電力変換効率において、過去最高を記録したことを示しています。

タンデム太陽電池とは何ですか?

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用いて作られています。現在、ほぼすべての太陽電池パネルは、マイクロチップのコアとなる材料と同じシリコンで作られています。シリコンは成熟した信頼性の高い材料ですが、その変換効率は約29%に限られています。

この限界を克服するために、科学者たちは、太陽エネルギーをより多く捕捉するために 2 つの太陽電池材料を重ねるタンデム型太陽電池に注目しました。

エネルギー大手LONGiの研究チームは、Nature誌に掲載された論文の中で、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型太陽電池を報告しました。太陽光集光性の向上により、この新しいペロブスカイト-シリコンタンデム型太陽電池は、世界記録となる33.89%の変換効率を達成しました。

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、既存のシリコン技術を理想的に補完する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を捉えることができます。

これによりエネルギー損失が回避され、タンデムセル全体の効率が向上します。III-V族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、集光光と組み合わせて小型の太陽電池しか製造できないことです。

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、わずか10年で（実験室での単一セルの）効率が14%から26%へと向上しました。こうした進歩により、ペロブスカイト太陽電池を超高効率タンデム太陽電池に統合することが可能になり、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規模の太陽光発電技術への道筋を示しました。

太陽光発電のコスト

記録破りのタンデム型太陽光発電セルは、太陽エネルギーをさらに60%捕捉できます。つまり、同じエネルギーを生産するために必要なパネルの枚数が少なくなり、設置コストと太陽光発電所に必要な土地（または屋根面積）を削減できます。

これは、発電所運営者がより高い利益で太陽光発電を行うことを意味します。しかし、英国の電気料金設定方法により、消費者は電気料金の違いに気付かないかもしれません。真の違いは、設置面積が限られており、スペースを有効活用する必要がある屋上太陽光発電設備を考えたときに現れます。

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ます。1つ目は、屋根にソーラーパネルを設置するための総費用、2つ目は、25年間の運用でどれだけの電力を発電できるかです。設置費用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節約額は、もう少し複雑です。特に電力料金が高い時期には、電力網からの電力使用量を減らすことで節約できます。また、余剰電力の一部を電力網に売却することも可能です。しかし、電力網運営者はこの電力に対して非常に低い価格を支払うため、夜間に使用するためにバッテリーに蓄電する方が有利な場合もあります。

典型的な英国の家庭を平均的な基準で考慮し、屋根置き型ソーラーパネルを導入することで消費者が節約できる現金額を計算しました。設置コストを増やすことなくパネルの効率を22%から34%に向上させることができれば、年間の電気料金の節約額は558ポンド（747ドル）から709ポンド（950ドル）に増加します。現金節約額が27%も増加すれば、曇り空がちで曇りがちな英国でも、屋根置き型ソーラーパネルは非常に魅力的なものになるでしょう。

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、この技術のスケールアップと長期的な耐久性の確保に向けて多大な努力が払われています。記録破りのタンデム型セルは実験室で製造されており、大きさは切手よりも小さいです。このような高い性能を数平方メートルの面積にまで実現することは、依然として大きな課題です。

しかし、私たちは進歩を遂げています。今月初め、ペロブスカイト技術の最前線に立つ太陽光発電メーカー、オックスフォードPVは、新開発のタンデム型太陽電池パネルの初販売を発表しました。同社は、2種類の太陽電池材料を統合し、耐久性と信頼性の高いパネルを製造するという課題に成功しました。変換効率34%には程遠いものの、彼らの研究は次世代太陽電池への有望な道筋を示しています。

もう一つの考慮事項は、タンデム型太陽電池に使用される材料の持続可能性です。太陽電池に使用される鉱物の一部は、採掘と加工に膨大なエネルギーを消費します。ペロブスカイト太陽電池は、シリコンに加えて、鉛、炭素、ヨウ素、臭素といった元素を構成要素として必要とし、適切に機能させます。ペロブスカイトとシリコンを接合するには、インジウムと呼ばれる元素を含む希少な材料も必要となるため、これらの課題に対処するには、まだ多くの研究が必要です。

困難にもかかわらず、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型太陽光発電装置の開発に引き続き取り組んでいます。

高効率ペロブスカイト-シリコンタンデム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への世界的な移行において太陽光が今後もさらに重要な役割を果たし続けることを確実にしています。