ペロブスカイト太陽電池とは何?強みやデメリットについて解説!

ペロブスカイト太陽電池とは何?強みやデメリットについて解説!

ペロブスカイト太陽電池は、従来の太陽光電池と異なり、薄く、軽量なため、幅広い場所や用途が見込めることから注目されています。また低コストで導入できる可能性があり、現在実用化に向けた研究開発も進んでいます。

今回は、ペロブスカイト太陽電池の特徴や強み、課題、研究の進捗状況について詳しくご紹介します。太陽光発電の最新技術に興味がある方は、参考にしてみてください。

目次

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、従来の太陽電池と異なる半導体で作られた新しい太陽電池です。報道によれば、2025年度からペロブスカイト太陽電池におけるFITの買取を優遇する調整も進んでいるようで、売電を行っている方にとっては見逃せない技術といえるでしょう。それでは、ペロブスカイト太陽電池の仕組みや特長についてわかりやすく紹介していきます。

ペロブスカイト半導体という新しい半導体で構成された太陽電池

ペロブスカイト太陽電池とは、従来の単結晶型シリコンや多結晶シリコンとは異なる、ペロブスカイト半導体という新材料を用いた太陽電池のことです。

最初に開発したのは桐蔭横浜大学の宮坂力(つとむ)特任教授で、ノーベル賞候補に挙げられている実績も豊富な方です。

ペロブスカイト太陽電池が画期的な理由の一つは、シリコン結晶系と異なる性質と強みを持っているためです。シリコン結晶系はガラスの成分でもあり、硬い素材であることから、薄く軟らかく加工することが容易ではありません。

一方、ペロブスカイト結晶構造はペロブスカイト(灰チタン石(かいチタンせき))をベースに作られています。膜のように薄く加工できるだけでなく、紙のように曲げることも可能であり、太陽電池としての機能も保つことができるのです。

そのため、従来品より軽量の太陽光パネルを製造できる可能性に、期待が寄せられています。

ペロブスカイト半導体の開発経緯

ペロブスカイト太陽電池には、ペロブスカイト化合物で構成された半導体が組み込まれています。

ペロブスカイト化合物の研究は2005年に始まり、NH3CH3PbI3というペロブスカイト結晶を元に、セルとして機能させるための薄膜構造の形成が行われました。

また、正極や負極といった太陽電池に必要な部分を、ペロブスカイト化合物へ塗布および積層構造にするための開発・改良が進められ、2022年に試作型の太陽電池が製造されています。さらに2024年時点では、変換効率の改善や実用化へ向けた開発も進んでいます。

最近では、印刷によりペロブスカイト太陽電池を作り出すことができるようになり、プラスチック基板へ取り付ける薄型太陽電池も考えられている状況です。

2025年からFITでの優遇が本格的に始まれば市場の需要も高まり、極薄型のペロブスカイト太陽光パネルや小型太陽電池へ参入する企業も増えるかもしれません。

ペロブスカイト太陽電池と既存の太陽電池との違い

ペロブスカイト太陽電池と既存の太陽電池の大きな違いは、重量と柔軟性です。

主流といえる結晶シリコン型の太陽電池は、シリコンウエハ(シリコンウェーハ)という基板材料が組み込まれています。シリコンウエハは割れやすく、カバーガラスなどを挟み込む必要があり、一定の厚みが出てしまうので曲げられません。ガラスなどを使用するため、パネル1枚あたりの重さは15kg前後ですの重さがあります。このため、設置できる場所は限られています。

一方、ペロブスカイト太陽電池はプラスチックなどを活用でき、膜のような構造なので、結晶シリコン型の太陽電池と比較して約10分の1の重量で製造できます。ある程度曲げたり歪めたりしても問題がなく、柔軟性が高い点も、既存の太陽電池と大きく異なるポイントです。

ペロブスカイト太陽電池のメリット

なぜペロブスカイト太陽電池はこれほど注目されているのでしょうか。60年以上使用されてきた結晶シリコン系の太陽電池と比較しながら、ペロブスカイト太陽電池のメリットを解説します。

レアメタルなしで製造可能

ペロブスカイト太陽電池はレアメタルを用いずに製造できるため、量産しやすいだけでなく、原材料の調達不足といった問題も起こりにくいというメリットがあります。

2024年、市場で流通・普及している結晶系シリコンの太陽電池は、レアメタルがなければ製造できません。そのため、原材料不足による太陽光パネルの製造数減少、各国の原材料調達に関する対立といった問題も懸念されます。

一方、ペロブスカイト太陽電池は、ヨウ素や鉛、メチルアミンで構築された化合物系の半導体で、一般的な化学物質を組み合わせながら製造・量産できます。日本はヨウ素が豊富で、世界生産量の30%を占める、世界第2位の生産地です。国内での調達が見込めることから、技術自給率の向上につながるという点においても、他の太陽光電池にはない強みがあります。

製造コストを抑えられる

結晶系シリコンの太陽電池より製造コストを抑えられるのも、ペロブスカイト太陽電池の優れた部分といえます。

結晶系シリコンの太陽電池は、世界的な脱炭素化の流れもあり、各国で需要の高い製品です。しかし、産出量の少ないレアメタルがなければ製造できないだけでなく、複雑な製造工程や大量の電力を消費しながら加工するため、価格は不安定です。

とくにこれから太陽光発電事業の成長や長期的な設備運用を考えている企業にとっては、太陽光パネルの購入・交換コストの負担増加にもつながります。

ペロブスカイト太陽電池は結晶シリコン系太陽電池と異なり、高温加工や複雑な製造加工も不要ですし、印刷や塗布によって製造できます。製造工程がシンプルな分、コストも抑えやすいのです。

さまざまな形状で設計製造できる

ペロブスカイト太陽電池は、さまざまな形状で設計・製造可能な性質を持ち合わせています。

シリコン系の太陽電池など既存の太陽電池は、薄く製造すればするほど太陽光の吸収率が低下してしまいます。その上ガラスを主成分とした半導体なので、シートのように曲げられません。

ペロブスカイト太陽電池は、通常の製造工程で薄く製造できるほか、薄い形状でも太陽光の吸収率が下がりません。建物の屋上や壁面に薄い太陽光シートを貼り付けたり、曲面の多い設備や建物に取り付けたりすることも可能です。

既存の太陽電池より軽量で薄い

冒頭でも触れたようにペロブスカイト太陽電池は、既存の太陽電池より軽量で薄く、柔軟性のある構造です。

既存の太陽電池と比較して10分の1程度の重さで、厚みは100分の1程度です。これまで設置の難しかった場所でも運用できる可能性があり、多くの企業にとって注目すべき太陽電池といえます。

とくに建物の構造や耐久性などの理由から屋根設置を断念している企業などは、ペロブスカイト太陽電池の実用化に関する情報を適宜チェックしておきましょう。

課題だった寿命の短さが解決される可能性

ペロブスカイト太陽電池の研究開発が進み、これまで課題とされていた寿命の短さを改善できる可能性も出てきている点に注目です。

結晶シリコン型などの太陽電池で構成された太陽光パネルは、20~30年程度稼働可能です。一方ペロブスカイト太陽電池は10~15年程度で寿命が来てしまいます。こうした問題は、ペロブスカイト太陽電池の導入を見送る理由の一つとなっていました。

しかし2024年1月、積水化学工業が20年相当の寿命を持つペロブスカイト太陽電池の実現に向けた方針を定め、2025年の事業化を目指した動きを見せています。

FIT制度やFIP制度の適用期間は20年間(出力10kW未満の住宅用太陽光発電は10年間)なので、少なくとも認定を受けている期間中に寿命を迎えることなく運用できる計算です。また、長寿命化が実現されれば、太陽光パネルの交換費用を抑えられるようになるでしょう。

低照度でも発電可能

低照度の環境でも発電できるのは、ペロブスカイト太陽電池ならではのメリットです。

つまり、既存の太陽電池では変換できない弱い光でも、ペロブスカイト太陽電池なら電気へ変換してくれます。たとえば、雨・曇りの日といった日光の入りにくい天候のほか、室内の照明などでも発電できるため、屋内での運用も期待できます。

幅広い場所で設置・運用できる可能性を持っているのは、これまでの太陽電池にはない強みです。

屋根や地上設置だけでなくガラス窓にも設置可能

ペロブスカイト太陽電池の場合は、光を透過する特徴を持っています。そのため、ガラス窓に設置しても日光を遮らずに発電することが可能です。

既存の太陽電池には光透過性がありません。仮にガラス窓へ設置できたとしても、発電はできる代わりに太陽からの光を遮断してしまいます。屋内に日光が入らない環境では、照明を使用しなければならないため、余計な電気代を発生させることにつながります。

ペロブスカイト太陽電池が実用化すれば、屋根や地上設置だけでなく壁面および壁面のガラス窓などにも設置できるため、より多くの発電量を確保できます。さらに、照明の使用頻度を抑えつつ、自家消費による電気代削減効果なども得ることが可能です。

ペロブスカイト太陽電池のデメリット

続いては、ペロブスカイト太陽電池のデメリットについて確認していきましょう。

不安定な結晶構造

ペロブスカイト太陽電池の実用化に時間がかかっている理由の1つは、結晶構造が不安定なことです。

ペロブスカイト半導体は、酸素などの分子による影響を受けやすく、かつ熱によって変化しやすい性質もあります。太陽光パネルの表面温度は、夏場に70~80℃程度まで上昇してしまうこともあります。太陽光の吸収率低下につながるため、実用にあたっては大きい課題です。

少量ではあるが鉛を使用

ペロブスカイト太陽電池は少量の鉛を使用するため、環境負荷という点でデメリットになります。鉛が土壌に流出してしまうと、汚染による環境への影響も出てきます。また河川や海の汚染につながるリスクもあります。

2024年4月現在、鉛フリーのペロブスカイト太陽電池の研究も進められていますが、鉛を使用したペロブスカイト太陽電池と同様に光の変換効率に課題があるようです。実用的な鉛フリーの開発が期待されます。

高い発電効率での量産化は未達成

ペロブスカイト太陽電池の発電効率は20%前後、結晶シリコン型の太陽光パネルと同じ水準で製造され始めています。しかし、発電効率20%前後を維持しての低コスト・量産化は達成できていないため、実用化に時間がかかるというのが現状です。

2025年ごろから製造・使用できるようになるペロブスカイト太陽電池は、15%程度の発電効率とされます。したがってFIT制度の買取価格の優遇度合いによっては、結晶シリコン型太陽光パネルを併用しながら、設置が難しい場所にはペロブスカイト太陽電池を活用するといった運用が現実的となるかもしれません。

ペロブスカイト太陽電池の実用化で期待できること

技術面ではまだ改善の余地があるペロブスカイト太陽電池ですが、それでも政府が主導して商用化・社会実装を目指しているのには理由があります。ここからは、ペロブスカイト太陽電池の実用化で期待されるポイントを解説していきます。

太陽光発電用地の少ない日本でも設置数を伸ばせる

平地の面積が少ない日本でも、ペロブスカイト太陽電池の実用化によって太陽光発電設備の設置数を伸ばせる可能性があります。

資源エネルギー庁の「2030年に向けたエネルギー政策の在り方」によると国土面積に対する平地面積の割合は34%で、欧米などと比較して30%以上少ない環境です。

また、面積あたりの太陽光発電設備に関する導入量は欧米より高いので、これ以上増やすのが難しい状況といえます。

ペロブスカイト太陽電池が実用化されれば、これまで設置できなかった建物の屋根、壁面やガラス窓などさまざまな場所に設置でき、平地面積の少ない日本でも再生可能エネルギーの導入を促進することが可能です。

出典:資源エネルギー庁ウェブサイト

敷地内への設置量を増加させて電力損失を軽減

企業にとってペロブスカイト太陽電池の実用化は、設置場所の選択肢が増えるため電力損失の軽減につながります。

たとえば、自家消費型太陽光発電所を自社の敷地内に設置できない場合や、追加設置したい場合は、遠隔地に設置して送配電網を活用しながら自社の建物へ送電することもあります。しかし遠隔地からの送電は、電気抵抗などによって電力量の一部が損失してしまいます。

ペロブスカイト太陽電池の実用化で、地上設置や屋根設置だけでなく、壁面などにも太陽光発電を設置できるようになれば、遠隔地への設置が必要ないケースもあるでしょう。遠隔地からの送電が必要なくなれば、電力損失を軽減することが可能です。

タンデム太陽電池との組み合わせによる新たな太陽電池で変換効率アップ

ペロブスカイト太陽電池はタンデム太陽電池として製造することで、さらに高い変換効率を発揮できる可能性もあります。

太陽光には複数の波長が含まれていますが、太陽電池が吸収できる波長は、その種類によって一部に限られています。タンデム太陽電池(多接合型太陽電池)とは、シリコン結晶やペロブスカイト、CIGS系太陽電池といった異なる種類の光電変換層(光を電気へ変換できる箇所)を重ねることで、吸収できる波長の幅を広げた太陽電池のことです。

太陽光パネルに用いられている結晶シリコン型の太陽電池は、変換効率29%程度が限界とされています。また、ペロブスカイト太陽電池の変換効率は現状20%前後です。

結晶シリコンとペロブスカイトを組み合わせたタンデム型太陽電池は、理論値では変換効率30%以上の性能を発揮できるとされています。また、東京都市大学の研究では、ペロブスカイトの薄さや柔軟性を保ったタンデム型太陽電池も開発が進んでいますこのような形で、太陽光発電の変換効率を底上げが期待されているのです。

ペロブスカイト太陽電池の実用化はいつ?

ペロブスカイト太陽電池の実用化は最短で2025年、遅いと5年以上かかると予測されています。現在も2025年に実用化を目指したプロジェクトが進んでいますが、実際に2025年に実用化できるかどうかは研究開発の進捗状況によります。

日本は2030年までに量産体制を構築することを目標としており、その需要を創出するためにFIT制度による買取価格の優遇も検討・調整している状況です。実用化もそれほど遠い未来ではないでしょう。

ペロブスカイト太陽電池の販売へ向けた企業や団体の動き

ペロブスカイト太陽電池の実用化に向け、いくつかの企業や団体では日々研究開発・改良を進めています。ここではペロブスカイト太陽電池の実用化へ向けた企業や、団体の動きについて紹介していきます。

東芝ではフィルム型の太陽電池研究が進む

2021年9月、東芝ではフィルム型ペロブスカイト太陽電池の新しい成膜法(フィルムに太陽電池を塗布する)を開発し、なおかつ703㎠という大型サイズで発電機能を維持することに成功しました。

また同社では、2023年度までにペロブスカイト太陽電池の研究開発段階を完了させ、2025年の実用化という目標を掲げています。

独自技術のこの成膜法は「メニスカス塗布」という方法で、ワンステップで均一な加工を行えるのが特徴です。これにより高速で塗布ができるため、1分あたり6mの加工が可能です。

リコーとJAXA共同で開発

事務機器や光学機器メーカーとして有名なリコーは、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を続けています。

JAXAは、人工衛星に搭載する太陽電池の研究開発を行っています。そこで製造コストが安価で柔軟な設計も可能、さらに印刷のように製造できるペロブスカイト太陽電池に目を付けたのです。そして2018年から、ペロブスカイト太陽電池研究の第一人者でもある宮坂氏とつながりを持っていたリコーと共同研究を始めました。

JAXAの研究が進めば、リコー経由で民生品に応用される可能性があり、また太陽光発電投資を検討している企業にとってもメリットのある状況です。

中国の南京工業大学でコア技術製造に成功

中国の南京工業大学では、2022年11月にペロブスカイト太陽電池の印刷に関する重要な技術の開発に成功しました。

同大学で採用している印刷方法はスクリーン印刷技術です。スクリーン印刷技術とは、インクを転写させる部分に穴が開いた板をセッティングし、貫通穴からインクを流し込む印刷方法のことです。

ペロブスカイト太陽電池の印刷に必要なインクは、空気中で安定した保存が難しい性質があります。南京工業大学は研究開発を重ね、15㎠の板に均一に印刷できる技術を確立させました。

今後は、インクを安定した状態で保存しながら、50㎠サイズの印刷を目指しています。

ペロブスカイト太陽電池の電力買取に関する動向

2024年3月、政府は、ペロブスカイト太陽電池を用いた太陽光パネルをFIT制度の対象に加えることを発表しました。これから太陽光発電の導入を検討し始める企業にとって注目の内容といえます。

また、ペロブスカイト太陽電池の普及を促すため、既存の太陽光発電よりも高い固定買取価格で設定される予定です。既存の太陽光パネルを活用した売電よりも収益を伸ばしやすい可能性があり、収益という点でメリットはあります。

ペロブスカイト太陽電池含め太陽光発電が求められている理由

最後に、ペロブスカイト太陽電池のニュースをきっかけに興味を持った方へ、太陽光発電導入によって企業が得られるメリットを紹介します。ペロブスカイト太陽電池を含め、太陽光発電が企業に求められている理由は、主に3点あります。

全量自家消費なら大幅な電気代削減効果を得られる

全量自家消費型太陽光発電として導入した場合は、大幅な電気代削減効果を得られます。全量自家消費型とは、太陽光発電で発電した電気をすべて自社の建物や設備で消費する運用方式のことです。産業用蓄電池を併用すれば、余った電力を貯め、夜も発電した電力を使用することが可能です。

近年、国際情勢の急変などによって火力発電に必要な化石燃料の価格が高騰し、電気代の値上げが続いています。また、電気代に含まれている燃料費調整額も値上がりしているため、大きな施設や企業になればなるほど、節電ではカバーしきれないケースも出てきます。

事業活動において電力使用量を極端に抑えることは困難です。

全量自家消費型太陽光発電を導入すれば、電力会社からの買電量(電力購入量)を直接削減できるため、大幅な電気代削減効果を見込めます。

弊社和上ホールディングスのシミュレーションでは、1kWhあたりの発電・電力コストを電力会社からすべて買電する場合と比較して約80%削減できる計算です。

二酸化炭素排出量削減効果による企業価値向上

脱炭素経営の求められている時代において、社会的責任を果たす手段としての太陽光発電の導入は、企業にとって比較的手軽で実施しやすい方法です。

脱炭素経営においては、二酸化炭素の排出量を抑えた事業活動や環境負荷の少ないサービス・製品製造などが求められます。

しかし、脱炭素をベースにした新サービスや商品の開発、サプライチェーンや事業活動の見直しには、多くの予算が必要です。技術的にも難易度の高い取り組みでもあります。

一方、太陽光発電を導入する場合は、使用する電力を再生可能エネルギーに切り替えるだけで脱炭素化が可能です。施工やメンテナンスなどは、専門業者側ですべて対応してもらえるため、できる限り少ない工数で済みます。

脱炭素経営へ比較的スムーズにシフトできますし、信頼性や企業価値の向上につながります。

非常用電源として役立つ

企業にとって太陽光発電は、BCP対策(事業継続計画)につながる設備でもあります。BCP対策は、災害などによる損害を抑えつつ、なおかつ早期に事業の復旧や継続を行うための取り組みを指しています。

とくに電力の確保は、事業再開・継続にとって重要な視点です。しかし、ガソリン式やガス式の非常用発電設備は、平時から燃料を調達・保管管理しなければいけませんし、保管スペースを確保しておく必要があります。さらに、燃料価格高騰の続く2024年時点では、負担の大きな方法といえます。

太陽光発電の場合は化石燃料を使用せずに発電できるため、ガソリンなどの燃料調達コストを抑えられます。

また産業用蓄電池との連携が可能なので、停電時でも日中に発電した電気を貯めておけば、災害が起きた瞬間が夜間や雨天の場合でも電力を使用できるようになります。

ペロブスカイト太陽電池なら変換効率30%台も夢ではない!

ペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト化合物を用いた新しい半導体です。シリコン半導体と異なり、シートのように薄いタイプの太陽光パネルを製造できるのが大きな特徴です。技術が安定すれば、高い変換効率のパネルを使用できるようになるでしょう。

ただし現時点では、まだ実用化・量産化されていないため、脱炭素経営や太陽光発電事業を始めるには、既存の太陽光パネルを導入するしかありません。結晶系シリコンやCIS太陽光パネルは、発電効率20%前後を維持し、1枚あたり10万~20万円台の安価な価格で販売されています。2012年のFIT制度初期と比較して導入コストが抑えられており、性能面も向上していて経済的メリットを得られます。

太陽光発電で自社の固定費を削減したい方や、太陽光発電事業に関心を持っている方は、今回の記事を参考にしながら全量自家消費型太陽光発電のサービスを検討してみてはいかがでしょうか。

弊社和上ホールディングスでは、全量自家消費型太陽光発電の企画作成から保守運用もサポートしています。またお客様のご要望に合わせて、太陽光パネルやパワーコンディショナのメーカー、型番、性能なども比較検討いたします。

全量自家消費型太陽光発電は、年間10%や40%と電気料金を削減できますし、2024年に導入すれば即時償却などといった経費負担の軽減策を講じられます。また、CSR活動に役立ちます。

少しでも気になる方は、この機会にぜひご相談ください。専任の担当者が、全量自家消費型太陽光発電に関するあらゆる疑問にお応えいたします。

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