進め！　ペロブスカイト太陽電池（2023_10）

本稿は、話題の「ペロブスカイト太陽電池」に関する情報を提供するものです（2023年10月時点）。現状では、インターネット上にある情報で構成されていますが、将来的には独自取材などにも取り組みたい所存です。

目次

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１：ペロブスカイト太陽電池に注目集まる

世界的にカーボンニュートラルが重要視される中、新しい太陽電池として注目を浴びているのが「ペロブスカイト太陽電池」だ。太陽電池というと、広い土地に黒いパネルを敷き詰めたシリコン太陽電池が有名だが、ペロブスカイト太陽電池は太陽の光で発電する機能をシリコン素材ではなく「ペロブスカイトという分子構造を持つヨウ化鉛メチルアンモニウム（CH3NH3）PbI3」を使用している点が大きな相違点で、シリコン型と違って「曲げられる」「軽い」「印刷できる」などを特徴として持つ。

シリコンとペロブスカイトといった素材の違いが太陽電池の特徴にどう関係するかは「２：ペロブスカイト太陽電池の特色」にて詳しく説明したいが、最近注目を集めている理由は、岸田首相や経済産業省が日本のこれからのGX（*1）において「ペロブスカイト太陽電池が重要」と発言したためと言える。

*1：GXとはGreen Transformationの意味で、2022年７月に岸田総理を議長とする「GX実行会議」にて発表された言葉。「化石燃料をできるだけ使わず、クリーンなエネルギーを活用していくための変革やその実現に向けた活動のこと」（経済産業省、https://journal.meti.go.jp/p/25136/）

本GX会議では、国産の次世代型太陽電池としてペロブスカイト太陽電池が紹介され、GX達成のための令和６年度からの関連予算、総額２兆円超（複数年コミット、令和６年は1.2兆円）のうち498億円がこの次世代型太陽電池の開発に充てられた。

さらに2023年10月3日には、岸田首相自らが「ペロブスカイト太陽電池の2025年からの市場投入など、脱炭素実現に重要な技術や製品の開発、普及を支援」と発言し、150億円の追加予算が組まれ合計で約600億円がペロブスカイト太陽電池を中心に、次世代太陽電池の立ち上がりに突っ込まれた。開発後の市場への投入に関しては、2025年からが予定されており、2030年からはGW（ギガワット）クラスでの発電が期待されている。

カーボンニュートラルについては日本のみならず世界の目標であり、達成可能性が見えるのが2030年と言われ、いわば待ったなし状況だ。このためにGDP世界３位の日本は積極的なアプローチが各所より期待されていて、その期待への切り札の１つがペロブスカイト太陽電池というわけだ。

なぜペロブスカイト

ちなみに「カーボンニュートラルのために太陽電池が重要なのはわかるが、ならば今ある太陽光発電設備を増やせば良いのでは、さらなる量産効果で価格も下がるのでは」という声がある。しかしこの方法は、現在の日本国内では難しい状況にある。なぜなら、すでに日本では従来型の大きな土地面積を必要とする太陽光発電システムを設置する場所が枯渇しているからだ。

2020年の調査では、平地面積あたりの太陽光設備容量では日本は470kw/km2と２位のドイツの210kwの倍以上のダントツの１位になっている。つまり、すでに日本の国土には高密度に太陽光発電システムが敷設されており、経済産業省も「地域と共生しながら、安価に事業が実施できる太陽光発電の適地が不足している」*2と述べているのが現実だ。最近では、2023年8月に福島県福島市が、設置がふさわしくない土地にはメガソーラーをこれ以上望まないと宣言した。

*2：「次世代型太陽電池の早期社会実装に向けた追加的取組について」R5年8月、資源エネルギー庁新エネルギー課

そのためこれからも太陽光発電を増やすなら、今まで設置できなかったり難しかった場所でも設置できる発電システムへのニーズが高まっており、そのニーズにペロブスカイト太陽電池が適していると言われているのだ。

ペロブスカイト太陽電池の実証実験が始まっている

2023年10月においては各種の実証実験が行われており、ペロブスカイト太陽電池に注力している積水化学工業では、2021年から同社研究所の屋上で世界初の発電試験を実施。最近では、

・2023年5月24日、東京都、森ヶ崎水再生センター水処理施設にて、９平方メートル、１kwhのペロブスカイト太陽電池を水処理施設の上部に設置。https://www.metro.tokyo.lg.jp/tosei/hodohappyo/press/2023/05/24/10.html

・2023年4月から、NTTデータのNTT品川TWINSデータ棟の外壁に設置。等、外部連携での発電実証実験を進めている。https://www.sekisui.co.jp/news/2023/1384297_40075.html

など、実証実験が進んでいる。

ペロブスカイト太陽電池への期待の声は高いことはわかったが、なぜ期待が高いのか？　次の章ではペロブスカイト太陽電池の仕組みと特性から、その理由を紐解きたい。

２：ペロブスカイト太陽電池の特色

ペロブスカイトという名称は、そもそも結晶構造を意味するもので、ロシアの鉱物学者レフ・ペロフスキー（1792 - 1856）が「灰チタン石」を発見したことが最初だ。この石が特異な結晶構造を有しており、そのため灰チタン石の結晶構造は発見者の名にちなんでペロブスカイトと呼ばれた。その結晶構造は、下図のように３つの元素から成り立っている。

このペロブスカイト構造は、原子の密度が高く丈夫と言われており耐熱性に非常に優れている。また原子同士は頂点を共有してつながるので、広く等方的な物性を有している。このためペロブスカイト構造を持つ原子は、強誘電性を示したり、圧電体として利用できたり、電気抵抗が数桁も変化する超巨大磁気抵抗効果を有したりと、原子によって多様な性格を持つことができる、まさに「機能の宝庫」と言われている。

ペロブスカイト、太陽電池に

このペロブスカイト構造を太陽電池に応用できないかと基礎開発を進めたのが、桐蔭横浜大学医用工学部 特任教授の宮坂力（みやさか　つとむ）氏*3だ。

*3：2023年10月現在、東京大学先端科学技術研究センター・フェロー、早稲田大学先進理工学研究科・客員教授も兼任。

2005年ごろ、宮坂氏の研究室ではペロブスカイトを発光材料として研究していたが、発光するなら発電に使えないかと発想を変えたのが発端だった。実際行ってみると発電を確認できた。しかし発電現象は５、10分程度しか持たず、効率も低くシリコン系太陽電池の10分の１の２％程度だったとのこと。その後は効率アップなどを目指す。

こうした宮坂氏の研究は続くが、ブレークスルーはペロブスカイト素材を電解液の形で利用していたものを固形型に変更したことだった。これによって2012年にオクスフォード大学と共同で10%の変換効率を実現。太陽電池素材において10%越えとは「今後、太陽電池として有望」というラインで、10%を超えたその後は、各所でペロブスカイト太陽電池の研究開発が進み、あっという間にシリコンに近い20%の変換効率を超えるケースも登場。ペロブスカイトは一躍太陽電池関連の話題の中心になった。

2023年現在のペロブスカイト太陽電池の変換効率の最大値は25.5%で、10%を超えてから７年で２倍以上と大きく成長した。なお量産試作では積水化学工業や東芝が15%を達成している（15%は既存太陽電池並み）。

さてこうして太陽電池界隈で話題の中心になったペロブスカイト太陽電池だが、その特色とはなんだろうか。

ペロブスカイト太陽電池の特色

１番の特色は「発電に関わるペロブスカイト素材を、塗布や印刷によって導電シートなどに定着できる」ことだ。現在太陽電池の主流であるシリコン太陽電池は、シリコンウエファーという固形の薄い円盤が発電の原材料なので、硬くて曲げることはできない。対してペロブスカイトの場合は、小さな結晶の集合体を膜として定着すれば発電できるので、塗ったり吹きつけたりすることができる。必要な厚みもシリコンが数百um（マイクロメートル、0.001mm）なのに対しペロブスカイトは500nm（ナノメートル、0.000001mm）と約1000倍も薄くできるので、シリコンに比べ圧倒的に「曲げやゆがみに強い」と言われている。

曲げやゆがみに強いということは、ビニールシートのような柔らかい物に塗布することが可能ということ。そのため「太陽電池は平面」という常識から離れて、設置空間の自由度が大幅に高まった。例えばビニールに塗布して「発電できるビニールハウス」として利用したり「発電できるカーテン」といった応用も可能と言われている。つまりペロブスカイト太陽電池なら、シリコン太陽電池では難しかった場所や用途に積極的に活用可能になったわけだ。

実際、東芝ではビニールハウスのビニール上にペロブスカイトを薄く塗布して、農作物を育てるために必要な太陽光は透過させ、それ以外の光を発電に利用するといった取り組みを行っている。

ペロブスカイト太陽電池は軽い

またペロブスカイト太陽電池はシリコン太陽電池に比べ、圧倒的に軽く整形できると重量の面でもメリットは大きい。シリコン太陽電池の場合、シリコンそのものが薄くて割れやすいので、一般には厚さ3mm程度のガラスにシリコン発電部を貼り付け、それをポリマーシートで挟んでいる。このためどうしても重量がかさみ、市販品の場合1平方メートルで11〜13kgに達するものも多く、民家の屋根に設置する太陽電池は4kwの発電のために250kgから400kgの重量に達してしまう。こうした重量を屋外に設置し、風や地震などでも揺らがないようにするには、それなりの設置設備や費用が必要だ。シリコン太陽電池そのものの単価はじょじょに下がってきているが、シリコン太陽電池の構造が変わらない限り、設置に関する費用が同様に下がることは今後も期待薄と言える。

しかしペロブスカイト太陽電池なら、曲げやゆがみに強い性格から軽量な物に塗布すれば軽い太陽電池が可能になる。軽いということは、あらゆる面でメリットが生まれる。太陽電池の場合、設置できる場所の高さ方向の自由度が高まるというメリットは大きい。具体的にはペロブスカイト太陽電池を高層ビルの壁に貼るといった実証実験が進んでおり、これは先に紹介したNTTデータのビルにて進行中だ。

さらにペロブスカイトの発電素材を薄くしたり部分的に塗布することで、ペロブスカイトを塗っても外が見える「太陽発電できる窓」というアイディアもある。こちらについては2023年8月、パナソニックが「ガラス建材一体型ペロブスカイト太陽電池」を、神奈川県藤沢市のモデルハウスで実証実験を開始した。

壁であったり窓であったり、建築物に太陽電池を「貼れる」となれば、太陽電池のための新たな設置スペース問題は大きく改善されるはずだ。発電場所と利用場所が近くなれば高効率への期待もできる。

ペロブスカイト太陽電池は安く作れる

もう１つの期待されている特色は、量産時における低コスト化だ。低コストの理由の１つが、塗布でペロブスカイトを定着可能という点だ。これなら印刷のようにロールを利用した制作が可能になる。すでに積水化学工業は、2023年において30cm幅のペロブスカイト太陽電池のロールtoロールによる連続生産を可能としている。耐久性は10年相当、発電効率は15％と言われている。この生産方法が定着すれば、製造上のコストを大きく低減できる。またペロブスカイト太陽電池の主要な素材材料はヨウ素だが、日本はヨウ素生産量世界2位と素材面でも安心できる。

その他、ペロブスカイト太陽電池には、晴れ以外にも曇り空や室内光といった微弱な光でも発電可能といった特徴もある。

３：現時点でのペロブスカイト太陽電池の立ち位置

期待が高いペロブスカイト太陽電池の2023年における立ち位置を確認しよう。結論を先に言えば、国内におけるペロブスカイト太陽電池は量産に向けての多様な実証実験が始まったところで、2025年の市場投入を目指している。その後は（政府のスケジュールでは）2030年までにGWクラスの発電を目指している。こうした動きに対し、民間企業も積極的に動いている。

政府の動き

政府の目指すGXに含まれる「次世代型太陽電池の開発」プロジェクトのスケジュール概要は以下の通り。

2025年まで①次世代型太陽電池基盤開発事業（予算上限110億円*4）と②次世代型太陽電池実用化事業（予算上限160億円）にて、一定条件下の発電コスト20円／kwhを目指す。さらに2023年開始し2030年までに③次世代型太陽電池実証事業（予算上限378億円）にて、一定条件下の発電コスト14円／kwhを目指す。

とされている。なお次世代型太陽電池と記載されているが、実質これはペロブスカイト太陽電池を指す。

*4：予算上限については、2023年8月発表の追加分含む。

なお2021年からすでにペロブスカイト太陽電池の重要性は認識されており、GXというキーワードが広まる前からNEDOにて新たな太陽電池の開発に向けた「グリーンイノベーション基金事業」が始まっていて、この基金事業では次世代型太陽電池実用化事業として、積水化学工業、東芝、エネコートテクノロジー*5、アイシン、カネカが幹事企業として参加するなど民間企業からのペロブスカイトへの参入も目立ってきている。

*5：2018年1月設立の京都大学発のスタートアップ企業。ペロブスカイト太陽電池の開発に取り組む

その他、パナソニック、三菱ケミカル、ホシデン、フジプレアム、K&Oエナジーグループ、伊勢化学工業、マクニカなどの企業の参画が見える。

直近では2023年6月に、先のエネコートテクノロジーとトヨタ自動車のペロブスカイト太陽電池の共同開発の発表があった。2030年までに電気自動車（EV）の屋根などに太陽電池の搭載を目指す。トヨタによれば車の屋根、ボンネットなどで広く太陽電池を設置できれば「年間3600kmを賄える」としている。

量産に関しての現状

・ロールによる太陽電池の印刷は、積水化学工業が30cm幅のものを可能にしている。現状では、汎用の1m幅の製造ライン開発に着手した。耐久性も10年までは確認ずみ*6、今後は15、20年と伸ばす予定。

*6：太陽電池規格IEC61215準拠主要耐久性試験5項目クリア。

・ペロブスカイト素材の塗布については、東芝が安定した塗布（１ステップメニスカス塗布法）を実現して太陽電池セルの大面積化、高速化に挑戦している。現在は大面積フィルム型（400cm2以上、検証は703cm2で実施）としては、世界最高の発電効率16.6%を達成、などが挙げられる。

どちらにせよ2023年10月においては、実用化に向けての実証実験が「増えてきた」というのが素直なところで、場合によっては予想通り進まないというケースも想定できる。特に懸念されるのが耐久性だ。本当に使ったらどれほど長く使えるのかは、いまだ未知数である。特にペロブスカイト素材は、湿度と光照射を同時受けると急速に劣化するという報告もあり、実際の使用環境でどれほどの耐久性を示すかは（現状では）未知数だ*7。

*7：シリコン太陽電池も毎年劣化していくが、20年使うとだいたい10〜20%の劣化が生じると言われている。

鉛という課題

またペロブスカイト結晶構造の中でPb、つまり鉛を使っている点は課題である。鉛は有害物質なので、欧州ではRoHS 指令やWEEE 指令に基づき使用制限や廃棄規制が求められている。利用中に電池の一部が破れてそこから鉛が溶解するといった事態は避けなければいけない。

そのためPb（鉛）に変わってSn（スズ）を利用する方法が検討されている。この場合の問題は変換効率だ。そのままスズを使うと、実験当初の変換効率は５％程度であった。現在では改良が進み、鉛を含まないPbフリーのペロブスカイトで13%、鉛とスズの混合の場合で23.6%を達成している。

また鉛を使っていてもペロブスカイト素材は可溶性があるので、電池回収時に鉛を容易に分離しやすく、規制への対応も可能という意見もある。

シリコン＋ペロブスカイトという構成もある

ここまではペロブスカイト太陽電池を単体で使用する場合を見てきたが、既存のシリコン系太陽電池とペロブスカイト太陽電池を「重ねて」利用するというタンデム構造の太陽電池も注目されている。両者は電気に変換できる太陽光の波長に違いがあり、上層のペロブスカイトが青色光を下層のシリコンが赤色光を吸収できるため、両方を重ねると全体として30%の変換効率が期待できると言われている。

2023年5月、サウジアラビアのアブドラ王立科学技術大学が33.2%という値を確認した。ただし現状では、ペロブスカイト太陽電池の寿命が明確ではなく、シリコン太陽電池より先に劣化した場合、そこが全体の寿命になってしまう点は課題と言われている。

他国との競争

またペロブスカイト太陽電池が順調に成長し、シリコン太陽電池より優れた太陽電池と市場から認められた場合、また別の課題が浮かび上がってくる。それは中国の台頭だ。

ペロブスカイト太陽電池に注目し、予算をつけて育成している国は日本だけではない。特に中国はペロブスカイト太陽電池に関する、モジュール化の特許出願が多い。シリコン太陽電池では、開発や初期の立ち上げは日本が優位だったが、量産化で中国の後塵を拝し、結局シリコン太陽電池の市場を取られてしまったと同じ構図がペロブスカイトでも見られる点は大いに危惧したい。安定した量産や性能を維持するには、基本的な技術開発も必要だが、量産のための装置開発も重要で、この部分ですでに中国は日本より大きく進んでいると思われる。

ただペロブスカイト太陽電池は、未だ性能が成長途中であるため基本研究をしっかり行っておけば、その部分の優位は確実に存在するので、既存の製造に関する特許数だけで判断するもの早計であるのは事実だ。

いろいろ課題や問題点もあるが、カーボンニュートラルに対して再生エネルギーは重要であり、太陽光発電はその中核と言える。ただ日本ではすでにシリコン型太陽電池の敷設が難しくなってきている点から、場所を問わないペロブスカイト太陽電池の実用化は急務と言える。

過去に日本は半導体、シリコン太陽電池で、開発し初速もつけたが実際の量産では他国に美味しいところをもっていかれた苦い経験がある。今回はそうした経験を活かして、ペロブスカイト太陽電池では先陣を切って開発・量産に進んで欲しい。

本稿では、今後もペロブスカイト太陽電池に関する情報をピックアップしていきたい。　　　end