AIがペロブスカイトの安定性を解明し、薄膜太陽光を進化させる

シリコンから薄膜へ

以前の記事「太陽時代―人類の明るい未来」では、太陽光発電の普及が、少なくとも長期的にはエネルギー供給に革命をもたらしつつあることを解説しました。

現在、太陽光パネルの約90%はシリコン系技術で作られており、その大半は旧来の単結晶シリコン設計に代わった多結晶シリコンを使用しています（単結晶シリコンは耐久性に優れますが、コスト効率では劣ります）。

出典: EIA

代替技術が、ペロブスカイト太陽電池（薄膜太陽電池とも呼ばれる）です。ペロブスカイト特有の結晶構造を利用して太陽エネルギーを取り込みます（別の薄膜太陽電池技術にはテルル化カドミウム型があります）。

「薄膜」という名称は、発電に必要な材料層がはるかに薄いことに由来し、柔軟で軽量な太陽電池を実現します。

天然のペロブスカイトはカルシウムと酸化チタン（CaTiO₃）から成りますが、ほかの鉱物も「ABX₃」という化学式に従う同じ結晶構造を取ることができます。

ペロブスカイトはエネルギー変換効率が非常に高い一方、シリコン太陽電池より耐久性が低く、実用化と商業普及を妨げてきました。

チャルマース工科大学（スウェーデン）とバーミンガム大学の研究者は、機械学習を使ってペロブスカイト結晶構造に関する理論上の空白を解明しました。これにより耐久性向上への道が開かれ、次世代の商用太陽光発電技術となる可能性があります。

研究成果はJournal of the American Chemical Society¹に「Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential」として掲載されました。

ホルムアミジニウムペロブスカイトの安定性

研究者が扱ったのは、ヨウ化鉛ホルムアミジニウム（FAPbI₃）と呼ばれる材料です。将来の太陽電池技術に有望な特性を備え、ハライドペロブスカイト群の中でも特に高性能な材料とみなされています。

しかし一般に、この材料は太陽光下で商用利用するには安定性が十分ではありません。その理由の一つは、ヨウ化鉛ホルムアミジニウムの低温相がこれまで十分に理解されていなかったことです。

「この材料の低温相は長年、研究というパズルの欠けた一片でした。今回、この相の構造に関する根本的な問いに決着をつけました。」

サンギータ・ダット―チャルマース工科大学

高度なAIモデリング

実験的観察だけでは、FAPbI₃の結晶構造を理解するのに不十分でした。原子の挙動を一つずつ計算・再現する従来のコンピューターシミュレーションには、強力なスーパーコンピューターと長い計算時間が必要です。

そこで研究者は機械学習の専門知識を活用し、コンピューターシミュレーションの効率を大幅に高めました。

「標準的な手法と機械学習を組み合わせることで、従来の数千倍の長さのシミュレーションを実行できるようになりました。

さらに、モデルに含められる原子数も数百個から数百万個へ増え、現実世界に近づきました。」

サンギータ・ダット―チャルマース工科大学

FAPbI3の結晶相転移

FAPbI₃は温度によって異なる結晶構造を取ります。300 K（27°C / 80°F）では立方晶、285 K（12°C / 53°F）未満では正方晶となり、140 K（-133°C / -207°F）での構造はこれまで不明でした。

出典: Journal of the American Chemical Society

シミュレーションの結果、材料を冷却すると準安定状態にできることが予測されました。

続いて実際に-200°C（-328°F）で試験し、これまで未検証だった条件でもシミュレーションがペロブスカイト結晶の挙動を正確に予測することを確認しました。

モデルは炭素原子の動きをほぼ完全に予測し、窒素原子についても十分な精度を示しました。

出典: Journal of the American Chemical Society

AI駆動ペロブスカイト研究の応用

このモデルは、このペロブスカイト材料のあらゆる結晶構造を高精度で予測した初のモデルです。必要な計算資源もはるかに少なく、世界中のほぼすべての研究チームが利用できます。そのため、技術開発を大幅に加速させる可能性があります。

結晶構造とその安定性は、ペロブスカイトの耐久性を高める要であり、商業的に成立させるためにも不可欠です。

「シミュレーションから得た知見が、今後、複雑なハライドペロブスカイト材料をモデル化・解析する方法に役立つことを願っています。」

エリック・フランソン―チャルマース工科大学

薄膜太陽電池は柔軟性が高いため、従来型パネルより幅広い場面に導入でき、重量も大幅に軽くなります。

ペロブスカイトを商用化できれば、建物の表面、自動車、屋根、携帯電話などで利用でき、大規模な太陽光発電所のために土地を確保せずとも豊富なエネルギーを得られるようになります。

アミジニウムはこの技術の有望な方向性とみられます。アミジニウムの保護膜が薄膜太陽電池の寿命を大幅に延ばすことを示す報告もあります。さらに、アルミナナノ粒子によってペロブスカイト太陽電池の寿命を10倍に延ばせる可能性もあります。

最終的には複数の技術を組み合わせ、極めて耐久性の高い薄膜ペロブスカイト太陽電池が生まれる可能性が高いでしょう。

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太陽光イノベーションへの投資

First Solarは米国および西半球最大の太陽光パネルメーカーで、米国、マレーシア、ベトナムに製造拠点を置いています。

同社は従来の結晶シリコン技術ではなく、独自の薄膜型太陽光発電技術を採用しています。

テルル化カドミウムを用いることで効率が高く、低コストで生産でき、大量生産にも適しています。

出典: 米国エネルギー省

テルル化カドミウム薄膜太陽光パネルは耐久性にも優れ、30年後も初期性能の89%を維持します。

出典: First Solar

カドミウムとテルルはほかの金属を採掘する際の副産物であるため、First Solar製品は従来ほとんど用途のなかった資源を活用し、影響を抑えられます。薄膜パネルは高いリサイクル率も実現できます。

薄膜半導体技術に特化することで、同社は完全な垂直統合を実現しており、シリコン系太陽光パネル産業とは大きく異なります。

ポリシリコン精製など各工程に複数企業が分業し、太陽電池の製造に何日もかかる方式とは異なり、First Solarは原材料から完成品までを4時間未満で生産できます。

出典: First Solar

First Solarの技術的優位性と地理的立地を合わせると、西側諸国が中国以外からパネルを調達しようとする動きの主要な恩恵を受ける可能性があります。

同社は生産能力を急速に拡大しており、現在の11 GWから2026年までに公称能力25 GWを目指しています。

First Solarは創業以来、研究開発に累計20億ドルを投じてきました。同社の研究開発チームは、CdTe薄膜セルの効率を25%に高め、2030年までに28%へ到達する道筋を予測しています。

今回取り上げた研究への関与からも、パネルの耐久性が十分になれば、同社がペロブスカイトにも明確な関心を持っていることが分かります。

長期的には、テルル化カドミウム薄膜で培った経験をペロブスカイト技術と統合し、さらに高効率な太陽光パネルを実現しようとしています。

出典: First Solar

総合すると、First Solarは中国からの輸入品に対する関税の恩恵を受け得る技術リーダーであり、トランプ氏の再選が太陽光産業に及ぼす悪影響を相殺する可能性があります。

現時点ではテルル化カドミウム薄膜が中心ですが、非シリコン系パネル製造の専門性により、ペロブスカイトでも大きな先行優位を得る可能性があります。特に、この分野の有力研究者との深い関係が強みです。

（First Solarについては、同社を取り上げた投資レポートでも詳しく解説しています。）

最新のFirst Solar (FSLR) 株式ニュースと開発状況

参照された研究

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential. Journal of the American Chemical Society. 2025年8月14日. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}