「ペロブスカイト太陽電池ってなに？」「今までの太陽光発電よりも優れている部分はあるの？」という疑問を持つ人がいるのではないでしょうか？
ペロブスカイト太陽電池は、これまでの太陽光発電の常識を覆すほどの可能性を秘めています。しかし従来の太陽光発電よりも優れている点や実用化に向けた課題など、まだまだ一般的に知られていないのが現状です。
今回の記事では、ペロブスカイト太陽電池の基礎知識からメリットや課題、実用化に向けた動きを解説します。本記事を読めばペロブスカイト太陽電池について理解が深まり、今後の動向がわかるようになるでしょう。ぜひ参考にしてみてください。
ペロブスカイト太陽電池は日本発の次世代太陽光発電
ペロブスカイト太陽電池とは、「ペロブスカイト（結晶構造）」を持つ化合物を素材とした次世代の太陽光発電です。ペロブスカイト自体は170年以上前にロシアのウラル山脈で発見されており、化学物質からも合成できます。
一般的な太陽光発電の約95％が、シリコン系（単結晶や多結晶）の素材で作られています。シリコン系が普及するなかでペロブスカイト太陽電池が注目されている理由の1つは、壁やシートなどに塗布や印刷で製造できる点です。また発見当時3％台だった発電効率が、研究・開発が進むにつれて20％を超えてきているため、今後に期待されています。
ペロブスカイト太陽電池の開発経緯
ペロブスカイト太陽電池は2009年に、桐蔭横浜大学の宮坂力教授の研究グループの論文によって発表されました。実際に発見されたのは2008年ごろのことです。ペロブスカイト結晶は電圧をかけると発光する性質があります。
ペロブスカイト結晶の発光する性質について調べていた大学院生が、「逆に光を当てれば電気が生まれるのでは？」という逆転の発想による実験で発見。次世代の太陽光発電ともいわれるペロブスカイト太陽電池は、大学院生の逆転の発想により研究・開発が開始されました。
ペロブスカイト太陽電池の仕組み
ペロブスカイト太陽電池は、従来の素材であるシリコン系の代わりにペロブスカイト太陽電池に太陽光を当てることで電気を生み出します。基本的には太陽光が当たることで電子（－）と正孔（＋）が発生し、これらが移動することで電気が発生する仕組みです。
従来の太陽光発電と異なるのは、光を吸収する素材がシリコン系ではなくペロブスカイトを持つ化合物を採用していることです。またペロブスカイト太陽電池ならではのメリットにより、従来のシリコン系太陽光発電よりも可能性が広がっています。
ペロブスカイト太陽電池のメリット
ペロブスカイト太陽電池のメリットは主に8つです。メリットのなかには、従来のシリコン系太陽光発電にはないものもあります。それぞれのメリットを解説するので、ぜひ学んでみてください。
大量生産による低コスト化の実現
ペロブスカイト太陽電池は、大量生産による低コスト化を実現しやすいのがメリットです。ペロブスカイト太陽電池の製造過程では、簡素化された溶解処理で済みます。そのためシリコン系のように、高温加工や高額で複雑な設備を必要としません。
そのほかペロブスカイト太陽電池の材料は、シリコン系に比べて20分の1ほどです。製造工程の簡素化や少ない材料で済むことにより大量生産が可能なため、低コスト化を実現できるのが魅力といえるでしょう。将来的にシリコン系太陽光発電よりも、低価格で手に入る可能性が期待されています。
従来の太陽光発電と遜色ない発電効率
ペロブスカイト太陽電池の発電効率は、研究・開発が進むにつれて従来のシリコン系太陽光発電と遜色がないほどまで高くなっています。ペロブスカイト太陽電池が発表された2009年当時の発電効率は約3％ほどだったものの、2023年では20％以上を達成。
シリコン系太陽光発電のなかでも、発電効率が20％を超えれば高いほうだといえます。しかしペロブスカイト太陽電池は、歴史が浅いにも関わらず従来のシリコン系太陽光発電を追い越す勢いです。またシリコン系とペロブスカイト太陽電池を組み合わせて、発電効率を約30％まで引き上げる開発も進んでいます。
宇宙事業にも貢献できる可能性あり
ペロブスカイト太陽電池は、宇宙事業で活躍できる可能性を秘めています。宇宙空間では日照中の唯一のエネルギー源は太陽光です。しかし宇宙空間には「宇宙線」と呼ばれる、高エネルギーの放射線が飛び交っています。
宇宙太陽光電池において宇宙線は最大の劣化原因とされており、大きな課題といえるでしょう。しかしペロブスカイト太陽電池は、宇宙太陽光電池の弱点である放射線に対して高い耐性を持っています。そのため今後の研究・開発次第で、発電効率や熱などの耐性がアップすれば、低コストで宇宙事業に採用される可能性があるでしょう。
レアメタルを必要としない
ペロブスカイト太陽電池はレアメタルを必要としないため、材料の安さや供給制限などの問題が起こりにくいといわれています。レアメタルとは希少性が高い金属のことです。日本ではほとんど産出されないため、高価であっても輸入に頼るしかありません。
太陽光電池のなかでは化合物系がレアメタルを必要とするため、円安や供給制限などの影響でコストが上がってしまうリスクがあります。しかしペロブスカイト太陽電池の場合は、一般的な化学物質から作れるため、材料の価格や制限のリスクを受けにくいといえるでしょう。
設置場所の自由度の高さ
ペロブスカイト太陽電池の注目すべきメリットともいえるのが、設置場所の自由度が高いということです。ペロブスカイト太陽電池は、壁やシートなどに塗布・印刷できます。そのためシリコン系では設置できない場所でも、ペロブスカイト太陽電池なら設置が可能です。
シリコン系は薄くしてしまうと発電効率が大きく低下してしまうことや重量が重いことから、ペロブスカイト太陽電池のような設置場所の自由度の高さは実現できません。ペロブスカイト太陽電池であれば、太陽光の吸収率が高いため場所を選ばずに発電効率を維持できます。
室内でも発電できる
ペロブスカイト太陽電池が優れている点は、屋内の弱い光でも発電できることです。シリコン系は光が弱くなれば極端に発電効率が下がるため、屋内での使用はできません。しかしペロブスカイト太陽電池であれば、屋内だけではなく日陰や太陽光が届きにくい場所であっても、効率よく発電することができます。
屋内の照明では発電効率が34％も上がることが確認されており、大きな電力を使用しないものであれば活用することが可能です。屋内の壁や窓など設置場所を増やすことで、ある程度の電力をまかなうことができるようになるでしょう。
国産化も実現可能
ペロブスカイト太陽電池の国産化を実現できるとされています。国産化が実現できれば輸入の影響を受けないため、低コストで供給することが可能です。ペロブスカイト太陽電池の主な原材料であるヨウ素と鉛は日本国内で調達できます。
また材料面だけではなく技術面においても強みがあるといえるでしょう。ペロブスカイト太陽電池の製造過程における薄膜を作れる日本の技術力は、世界に対する強みです。今後ペロブスカイト太陽電池が実用化されれば、日本は世界をリードできる可能性があります。
ペロブスカイト太陽電池の課題
ペロブスカイト太陽電池には多くのメリットがある一方で、3つのデメリットもあります。まだまだ研究・開発途中の太陽光電池なので、課題があるのも現実です。デメリットを、それぞれ解説します。
ペロブスカイトの不安定性
ペロブスカイト太陽電池は結晶構造が不安定なため、あらゆる外的要因の影響を受けやすいという不安定性の高さが難点です。外的要因には水分や酸素などがあり、結晶内の結合に影響が出れば電子の移動が妨げられて発電効率が下がってしまう可能性があります。
シリコン系太陽光発電の耐用年数は約20年ほどに対し、ペロブスカイト太陽電池は長期の耐久性が確認されていません。今後の研究・開発によって不安定性が解消されれば、実用化に向けて大きく動き出す可能性があるでしょう。
素材に鉛が使用されている
ペロブスカイト太陽電池の問題点の1つは、環境に負荷をかける鉛が使用されている点です。鉛が使用されていることで、土壌や河川の汚染につながる可能性が懸念されています。鉛は少量しか使用されていないものの、有害物質かつ厳密に管理された環境下でしか利用できません。
このような問題を抱えたままでは、ペロブスカイト太陽電池の利用者が制限されてしまうでしょう。そのため鉛に代わる原材料で開発を進める動きも出ています。将来的に鉛を使用しないペロブスカイト太陽電池が開発されれば、実用化も見えてくるでしょう。
一般的な実用化までには時間がかかる
ペロブスカイト太陽電池の研究・開発は進められているものの、まだまだ一般的に実用化されるまでには時間がかかるでしょう。現状でペロブスカイト太陽電池の実用化は、最短で2025〜2030年ごろになるのではないかと予想されています。
しかし研究・開発が進むなかで新たな課題が出てくるようであれば、1つ1つクリアしながら実用化を進めなければならず時間がかかってしまうでしょう。メリットを考えると早期の実用化が実現できれば、脱炭素社会に向けて大きく前進するといえます。
ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けた動き
ペロブスカイト太陽電池を早期に実用化させようと、日本の企業が動いています。ここでは実用化に向けて、どんな動きがあるのかを紹介。ペロブスカイト太陽電池の実用化への動きを見ていきましょう。
不安定性を解消する自動化技術の開発
ペロブスカイト太陽電池の自動化を可能にする技術の開発によって、一定の品質を保てるようにしています。ペロブスカイト太陽電池は研究者によって手作業で開発されていたために、個々の性能にバラつきがありました。
しかし桐蔭横浜大学発ベンチャーであるペクセル・テクノロジーズが、ペロブスカイト太陽電池の成膜技術を安定させる自動化技術を開発しています。今後はペロブスカイト太陽電池の可能性を感じている企業も、実用化に向けた課題解消のための技術開発が広まっていくでしょう。
発電効率が向上させる機構の解明
ペロブスカイト太陽電池は、空気中で保管することにより発電効率がアップする特徴があることが知られています。しかし理由までは解明されていませんでした。そんななか京都大学やシドニー大学、ニューサウスウェールズ大学のグループが発電効率アップの謎を解明。
研究結果によれば、常温で相対湿度20％ほどの環境下で2日間保管することで発電効率のアップが見られました。最高20.4％の発電効率を達成したということで、今後のペロブスカイト太陽電池にとって一歩前進したといえるでしょう。
カーボンナノドットによる性能アップ
ペロブスカイト太陽電池の製造工程において、カーボンナノドットを活用すれば性能アップにつながる可能性があります。ペロブスカイト太陽電池を作る際に、溶液にカーボンナノドットを加えると保護層が形成されることがわかりました。
保護層はペロブスカイト太陽電池の弱点である湿気等の外的要因から守ってくれるため、課題であった不安定性の克服に貢献。保護層の効果により耐久性と安定性が高まり、高い発電効率を維持しやすくなることが研究で判明しています。
各企業や団体が開発を進めている
ペロブスカイト太陽電池の可能性を評価している多くの企業や団体が、研究・開発を進めています。紹介するのは9つの企業や団体が行っている、実用化に向けた取り組みです。それぞれの取り組みを見てみましょう。
積水化学工業
積水化学工業では10年前から、国の支援を受けて研究・開発を進めています。積水化学工業が積極的に行っているのが、外的要因の弱さを保護するための研究です。積水化学工業は、気密機器にほこりや湿気が入らないよう密閉する技術を持っています。
この技術を応用して保護できるようになれば、ペロブスカイト太陽電池の耐久性をアップさせることができるでしょう。また2023年4月からは、開発しているフィルム型ペロブスカイト太陽電池を壁面に設置する実証実験も行っています。
三菱マテリアル
三菱マテリアルではペロブスカイト太陽電池の課題である耐久性アップと、鉛を使用しないために必要な周辺材料の開発を行っています。ペロブスカイト太陽電池は室内でも発電できるほどの吸収率と発電効率の高さを持っているものの、湿気等の外的要因への耐久性の低さが課題です。
また少量とはいえ鉛は環境への負荷があるため、鉛を使用しない開発も必要不可欠。三菱マテリアルではペロブスカイト太陽電池を実用化させるために克服したい、2つの課題解消に向けた取り組みを行っています。
東芝
東芝はNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）の委託事業の一環で、フィルム型ペロブスカイト太陽電池の開発を行っています。2018年には発電効率が14.1％だったのに対し、2021年には703㎡で15.1％に達成しました。フィルム型ペロブスカイト太陽電池において、15.1％という発電効率は世界最高です。
東芝では2025年までにペロブスカイト太陽電池を900㎡へ拡大し、発電効率の20％超えが目標。また低コスト化も同時に図っており、実用化に向けた研究・開発が進められています。
パナソニック
パナソニックは自社開発したペロブスカイト太陽電池を、モデルハウスのガラスに組み込む実証実験を行っています。2014年には800㎡以上のペロブスカイト太陽電池において、17.8％という世界2位の発電効率を達成。
またパナソニックの強みはインクジェットプリンターの技術を応用し、ガラス表面にペロブスカイト太陽電池を塗布できることです。ガラスとしての機能を損なわないように工夫し、発電もできるように開発を進めています。
アイシン
アイシンでは2025年の実証実験で発電効率20％以上を達成すべく、研究・開発を行っています。アイシンが特に力を入れているのが、ペロブスカイト太陽電池をフィルム等の素材に塗布する技術の向上です。
また実用化に向けて多くの場所へ設置できるように、スプレー工法技術の開発に取り組んでいます。スプレー工法技術による塗布が可能になれば、機器を利用しながらの発電・充電が可能です。アイシンはペロブスカイト太陽電池の可能性を広げる、重要な塗布技術を磨いています。
ホシデン
ホシデンは関連会社のタッチパネルの製造ラインを転用して、ペロブスカイト太陽電池の開発に乗り出しています。2021年からサンプルの生産をスタートし、2022年には量産するための設備を導入。2023年には量産できるサンプルの開発を行い、2024年には量産化の実現を目指しています。
ホシデンは総合電子部品メーカーであり、ペロブスカイト太陽電池の軽さに目を向けました。スマホやパソコンなど、さまざまな機器への搭載や応用ができるようになるため、実用化にむけて開発を行っています。
リコー
リコーはJAXA（宇宙航空研究開発機構）と共同で、ペロブスカイト太陽電池の開発に取り組んでいます。JAXAは人工衛星に搭載する太陽電池の開発を行っており、ペロブスカイト太陽電池のメリットに目をつけて2018年からリコーと共同開発を開始。
リコーはペロブスカイト太陽電池と深い関わりを持つ、桐蔭横浜大学の宮坂力教授とのつながりがありました。そのためJAXAはリコーと共同開発という形で、ペロブスカイト太陽電池の研究・開発を進めています。リコーは事務機器や光学機器メーカーなので、将来的にペロブスカイト太陽電池を搭載した商品が販売される可能性があるでしょう。
産総研
産総研ではペロブスカイト太陽電池の実用化に向けて、さまざまな取り組みをしています。ペロブスカイト太陽電池の材料に始まり、発電効率アップ、劣化原因、劣化のメカニズムなどの研究を進めています。
2022年にはペロブスカイト太陽電池の課題の1つである耐久性を、飛躍的にアップさせることに成功しました。これまでは耐久性を落とすドーパント（添加剤）が必要だったものの、なしでも開発できるようになっています。
南京工業大学
南京工業大学（中国）では、ペロブスカイト太陽電池の製造において重要な開発をしました。それはスクリーン印刷技術を活用して、15c㎡の板に均一に印刷できる技術です。ペロブスカイト太陽電池に使用されるインクは、空気中で安定した保存が難しい状況でした。
しかし南京工業大学が開発した技術によって、インクを安定させながら保存することが可能です。南京工業大学では15c㎡の板に均一に印刷できるようになったため、将来的には50c㎡にサイズアップした印刷を目標としています。
脱炭素社会の救世主ペロブスカイト太陽電池に期待
ペロブスカイト太陽電池は、従来のシリコン系太陽光電池よりも大きな可能性を秘めているでしょう。国は脱炭素社会に向けて太陽光発電の普及に取り組んでいます。しかし現状では少しずつ普及が進んでいても、シリコン系のコストの高さや設置場所が限定されるなどの課題で大きく伸びてはいません。
ペロブスカイト太陽電池であれば少量の光で発電できて、設置場所も選ばずに導入できます。また軽量なためスマホやパソコンなど、さまざまな機器にも応用できるでしょう。機器だけではなく壁、自動車、ウェアラブル、服などに塗布や印刷をして発電することが可能です。ペロブスカイト太陽電池は脱炭素社会の実現には、必要不可欠だといえます。
耐久性の低さ等の課題について研究・開発を進めて克服したとき、ペロブスカイト太陽電池は脱炭素社会の救世主として重宝されるでしょう。
まとめ
ペロブスカイト太陽電池は、従来のシリコン系太陽光電池よりも軽量かつ低コスト、設置場所の自由度の高さなどのメリットがあります。一方で実用化させるには、不安定性や耐久性の低さを克服しなければいけません。
ペロブスカイト太陽電池は多くの企業から注目されており、それぞれの技術力を活かした開発を進めています。現段階では最短で実用化できる時期が2025〜2030年ごろです。各企業が研究・開発を継続していくことで、実用化の時期が短縮される可能性があります。
ペロブスカイト太陽電池が実用化されれば、ほぼ確実にライフスタイルの変革が起こるでしょう。実用化されるまでペロブスカイト太陽電池の動向に注目です。
