ペロブスカイト太陽電池の大量普及を阻むものは何か？

ペロブスカイト太陽電池の特徴

ペロブスカイト太陽電池は、再生可能エネルギーの分野で瞬く間に注目を集めた若いクラスの光起電力デバイスである。ペロブスカイト太陽電池の名前は、多くの鉱物に共通する結晶構造に由来する。この新しい太陽電池は光を強く吸収し、高い電力変換効率で効果的に電気に変換する。多くのグループが、従来のシリコン太陽電池に匹敵する、あるいはそれを上回る電力変換効率を実証している。この太陽電池が有望視されているのは、その材料がシンプルな化学構造を持ち、低コストであることによる。

これらの太陽電池が関心を呼んでいるのは、新しいアプローチを提供しているからである。その特性は、さまざまな環境での統合に適している。研究室では、ペロブスカイト太陽電池は低温溶液処理によって成長した。同じ技術により、フレキシブル基板へのロールtoロール印刷が可能になるかもしれない。このプロセスは新聞の印刷に似ており、費用対効果の高い生産への道を開く。多くの場合、これらのセルは硬いガラスではなくプラスチック上に作ることができる。これにより、建物一体型の太陽光発電からポータブル・エレクトロニクスまで、多くの用途が開かれる。しかし、これらのフィルムを大規模に確実に製造する方法については、課題が残っている。

ペロブスカイト太陽電池の主な利点

多くの利点の中でも、ペロブスカイト太陽電池は、従来の太陽電池技術に比べ、いくつかのユニークな利点を有している。

- 高い電力変換効率：シリコン系太陽電池に匹敵する変換効率を示す。実験室でのテストでは、25％近い効率を達成した例もある。

- 低コスト製造：製造工程で溶液処理法とロール・ツー・ロール技術を使用できる。高温シリコン製造に比べ、エネルギー消費と材料廃棄を削減できる。

- 柔軟で軽量な設計：薄くてしなやかな層は、建材や携帯電子機器に適している。その一例として、ペロブスカイト層はすでに窓や曲面でテストされており、多くの特殊な条件に容易に適応できることを示している。

- 高い吸収率と調整可能なバンドギャップ特性：ペロブスカイト材料は、太陽スペクトルの広い範囲を吸収するように簡単に設計できる。これにより、さまざまな光条件下での性能が向上する。

これらの利点により、ペロブスカイト太陽電池は研究者、投資家、産業界から注目されている。ペロブスカイト太陽電池は、従来の太陽電池技術では対応できないような利点を提供する。生産コストの削減や多様なシナリオへの応用を考えると、その潜在的な影響力は大きい。

ペロブスカイト太陽電池のスケールアップにおける主な課題

有望な利点があるにもかかわらず、ペロブスカイト太陽電池の大量市場へのスケールアップは、多くの課題によって大きく妨げられている。

- 安定性と耐久性：最も議論されている課題の一つは、環境ストレス下でペロブスカイト太陽電池が劣化することである。湿気、高温、紫外線が存在すると、寿命が短くなる傾向がある。この劣化問題は、成熟した生産レベルに達していない多くの繊細な材料で起こることと似ている。

- 鉛の毒性：ほとんどのペロブスカイト太陽電池は鉛を含んでいる。これは環境への懸念につながり、鉛が生態系に漏れた場合のリスクとなる。鉛の使用は、セルの製造、操作、そして最終的なリサイクルにおいて特別な注意を要する。

- 再現性と均一性：大面積のペロブスカイト膜を同じ品質で作るのは難しい。実験室では、小型のデバイスは非常に有望な結果を示している。しかし、研究者がより大きく均一な膜を作ろうとすると、欠陥や性能のばらつきが生じるのが普通である。

- 製造上の課題：ペロブスカイト太陽電池を既存の製造ラインに組み込むのは容易なことではない。研究室で実行可能な新しい手順を工業生産に適応させなければならない。製造業者にとって、大規模で安定した性能は依然として大きな課題である。

これらの課題は、ペロブスカイト太陽電池が有望でありながら、まだ幅広い商業展開に至っていない理由を指し示している。これらの各点は、技術が研究室を出る前に、真剣な研究とテストを必要としている。

技術的・商業的障壁

大量市場導入への道には、技術的・市場的課題が山積している。

- 長期的な運転安定性についての進展が限定的であること：研究室での短期的な性能は目を見張るものがあるが、実世界での設置には、太陽電池が数十年にわたって効果的に機能することが求められる。長期的な信頼性を確保するためには、まだ多くの課題が残されている。

- 大面積デバイスのための溶液処理のスケールアップに関する問題：小規模レベルでは高い効率を発揮するプロセスも、はるかに大きなパネルに拡張することは容易ではない。このギャップは、大規模生産に投資しようとする企業にとって最大の障壁の一つである。

- 大規模生産-コスト対性能のトレードオフ：性能は生産コストと天秤にかけなければならない。実際には、安定性と効率の向上は、より高いコストを伴うかもしれない。このバランスこそが、既存技術に対する細胞の競争力を高める重要な要素である。

- 商業化におけるインフラの欠如：こうした新しい太陽電池専用のサプライ・チェーンや生産施設はまだ十分に整備されていない。このギャップは、このセルが既存のソーラー市場に統合されるペースに影響する。産業界や投資家は、技術的な成熟度がより強固に実証されるのを待っている。

これらの課題は、ペロブスカイト太陽電池の商業化プロセスにおいて、学界と産業界の双方が慎重に歩みを進める理由を反映している。進歩は緩やかなものでなければならない。技術への信頼を築くためには、それぞれの課題を慎重に管理しなければならない。

可能性のある解決策と進歩

ペロブスカイト太陽電池が直面するスケールアップの問題に対する唯一の答えはない。課題を克服するために、研究者たちはさまざまな改良を進めている。

ペロブスカイト層を湿気や温度に対して耐性を持たせるために、カプセル化や添加剤のような様々な技術が実施されている。例えば、保護膜は環境ストレスから活性層を保護する。

- 鉛ベースのペロブスカイトの無害な代替物：鉛を毒性の低い元素に置き換えることが進行中である。初期段階の候補では、スズやその他の金属が使われている。一般に、こうした第二世代の代替材料は、環境リスクを大幅に低減しつつ、高い効率を維持する必要がある。

- 印刷技術と拡張可能な製造技術の進歩：新しい印刷法とロール・ツー・ロール・プロセスは、現在改良中である。いくつかのパイロット・ラインは、大面積のデバイスを安定した性能で印刷することが可能であることを示している。

- ハイブリッドペロブスカイトとタンデム太陽電池：ペロブスカイトを他の材料と組み合わせてタンデムに使用することで、安定性と高性能の両方を実現できる可能性がある。すでにいくつかのプロトタイプ・デバイスは、異なる材料の特徴を組み合わせる層状アプローチによって、これが達成できることを実証している。

研究は着実に前進しており、新たな研究が進むたびに、ペロブスカイト太陽電池は技術的・商業的基準の両方に一歩ずつ近づいている。その研究は、技術革新と安全性やコストとのバランスを取りながら、知識豊富で慎重に進められている。ペロブスカイト太陽電池の詳細については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

F：ペロブスカイト太陽電池の主な利点は何ですか？

ペロブスカイト太陽電池は、高効率で低コストという利点があり、様々な分野で応用されています。

F: ペロブスカイト太陽電池の生産規模を拡大するための最大の課題は何ですか？

大面積製造における長期安定性と均一性の確保は、依然として重要な課題のひとつです。

F: ペロブスカイト電池の鉛の毒性を減らす方法はありますか？

Q: はい、環境リスクに対処するため、無害な代替品や安定化技術の研究が行われています。

参考文献

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj.(2019).A Review on the Aspects of Additive Engineering in Perovskite Solar Cells.Journal of Materials Chemistry A. 8.10.1039/c9ta07657c.