サステナビリティ
アミジニウムを用いたペロブスカイト太陽電池の実世界での実用性向上
最高の太陽光技術を耐久化する
ほとんどの太陽光パネルは2つの技術に基づいています: 主に使用されているポリシリコンと、薄膜カドミウムテルルです。しかし、ペロブスカイトという鉱物を使用する第3の光起電力システムの方法があります。
これはカルシウムチタン酸化物で作られており、過去数年間でこの技術は大きく進歩しました。2009年の実験室プロトタイプは光から電力への変換効率がわずか3.8%でしたが、達成しました 2024年に設計されたものは33.9%の効率 LONGi Green Energy Technology。
しかし、ペロブスカイト太陽光パネルには大きな問題があります: 耐久性です。ほとんどのペロブスカイト太陽電池は数年しか持ちません。これにより、たとえ効率が高くコストが低くても、商業的に使用することができず、システムの収益性が失われます。
したがって、ポリシリコンの2〜3十年の耐久性と比較できない限り、ペロブスカイトはニッチな用途や実験室のプロトタイプにとどまり、新しい太陽エネルギー時代という既に到来している新しい太陽エネルギー時代を逃すことになります。
これが、ペロブスカイトの安定性を3倍に向上させる方法の発表が大きな出来事である理由です。この研究は、米国ノースウェスタン大学、オーストラリアのグリフィス大学、カナダのトロント大学の研究者によって行われ、名高いScience誌に「Amidination of ligands for chemical and field-effect passivation stabilizes perovskite solar cells1」というタイトルで掲載されました。
ペロブスカイトの利点
ペロブスカイトの主な利点は低コストと「印刷」太陽電池が可能なことです。低コストの大きな要因は、シリコンが数百度の高温を必要とするのに対し、常温で製造できる点です。
ペロブスカイトセルは柔軟性もあり、車の屋根やドローンなどの新しい用途が開かれます。また、太陽光のより大きな部分を吸収し、理論上の効率が高くなることにつながり、最大で40%に達します。
チタンは比較的豊富な金属であるため、カドミウムテルルよりもシリコンの代替として優れています。しかし、特に鉛などの重金属の漏出の可能性は、対処すべき課題です。
Source: Research Gate
また、LONGiが開発したようなシリコン-ペロブスカイトタンデムセルは、ペロブスカイト単独のシステムの代わりになる選択肢であることも注記すべきです。
ペロブスカイトの劣化からの保護
通常、ペロブスカイト太陽電池は効率向上のためにアンモニウム系コーティング層を使用します。効果的ではありますが、アンモニウム系層は熱や湿気などの環境ストレス下で劣化します。これはアンモニウム分子が高温や水分で分解しやすいためです。
Source: Frontiers
もちろん、雨や暑い夏の日に対応しなければならない実際の太陽光パネル利用には理想的とは言えません。
ここで本研究の研究者は、別の窒素系化合物であるアミジニウムを使用する解決策を見出しました。アミジニウムはアミジンから形成されるイオンです。
Source: Wikipedia
これは、従来のペロブスカイトに関する研究がペロブスカイト自体の安定性向上に焦点を当てていたのとは異なるアプローチです。代わりに、保護層の改善を試みています。
根本的な改善
この新しいアプローチは、ペロブスカイトセル上のコーティングの耐性を向上させただけでなく、太陽光パネル全体の耐久性も向上させました。
“新しいコーティングは従来のアンモニウム系コーティングに比べて分解に対して10倍の耐性がありました。さらに、アミジニウムコーティングされたセルはセルのT90寿命を3倍に伸ばしました — 厳しい条件下でセルの効率が初期値の90%に低下するまでの時間です。”
Bin Chen – Northwestern大学化学研究准教授
以前のイノベーションの上に構築する
これは、この研究チームの最初の画期的な成果では決してありません。
別の共同著者であるTed Sargentのチームは、2022年にエネルギー効率と電圧の記録を破るペロブスカイト太陽電池を開発しました。
2023年には、同チームは逆構造のペロブスカイト太陽電池を導入し、エネルギー効率も向上させました。また、液晶を組み込んでペロブスカイト膜の欠陥を最小化し、デバイス性能を向上させました。
この研究は学術機関だけでなく、民間企業のFirst Solar (FSLR )や、商務省、国立標準技術研究所、米国エネルギー省といった公共機関の支援も受けていることも注記すべきです。
太陽光発電への投資
太陽エネルギーの生産は二桁成長率で継続的に拡大しており、経済の脱炭素化の主要な推進力となります。しかし、世界の電力生産の圧倒的多数、さらには総エネルギーの大部分が依然として化石燃料に依存しているため、まだ長い道のりがあります。
長年にわたり、このセクターは規模の経済が利益を上げる上で重要な要因となり、最大手企業が恩恵を受けるように進化してきました。もちろん、新技術は既存のポリシリコンパネルメーカーにとって潜在的な破壊的要因となります。
多くのブローカーを通じて太陽光企業に投資でき、こちら securities.io で米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国々における最高のブローカーの推奨リストをご覧いただけます。
特定の太陽光企業を選びたくない場合は、Global X Solar ETF (RAYS)、Invesco Solar ETF (TAN)、またはGlobal X China Clean Energy ETF (2809.HK) のようなETFを検討できます。これらは太陽光およびクリーンエネルギー産業へのより分散されたエクスポージャーを提供します。
こちらの投資に適したトップ10太陽光株に関する記事もご覧ください。
太陽光企業
First Solar, Inc.
(FSLR )
First Solarは米国および西半球全体で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持っています。
同社は従来の結晶シリコン技術を使用せず、代わりに独自の薄膜光伏技術を採用しています。カドミウムテルルをベースにしており、効率が高く、コストが低く、容易に大量生産できます。薄膜太陽光パネルは耐久性も高く、30年後でも元の性能の89%を保持します。
Source: First Solar
カドミウムとテルルは他の金属の採掘副産物であるため、First Solarの製品は以前はほとんど利用されていなかった資源を使用し、環境への影響が最小限です。薄膜パネルは高いリサイクル率も持ちます。
First Solarの技術的優位性と地理的な位置が組み合わさり、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恩恵を受けやすくなっています。
同社は生産能力を急速に拡大しており、現在の11GWから2026年までに定格容量25GWに達することを目指しています。
本稿で取り上げた研究に関与していることから、同社は少なくともパネルが十分に耐久性を持つようになるまで、ペロブスカイトにも明らかに関心を示しています。投資家向けプレゼンテーションでは、ペロブスカイトが「2024年第4四半期に製造に類似した条件をシミュレートする技術サンプルを生産するための開発ラインが整備済み」とコメントしています。
First Solarは創業以来、累計で20億ドルの研究開発費を投じています。
全体として、First Solarは中国からの輸入関税の恩恵を受ける技術リーダーであり、これはトランプ再選による太陽光産業へのマイナス影響を相殺する可能性があります。
これまで主にカドミウムテルルを用いた薄膜太陽光に注力してきましたが、非シリコン太陽光パネル製造の専門知識は、特にこの分野のトップ研究者との深い関係を考慮すれば、ペロブスカイトでの大きな先行優位性をもたらす可能性があります。
研究参考:
1. Yang, Y., et al. (2024). リガンドのアミジニウム化による化学的および電界効果パッシベーションがペロブスカイト太陽電池を安定化させる. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091
