曲がるペロブスカイト太陽電池：日本の再エネ拡大を支える次世代技術

1. はじめに

カーボンニュートラル社会の実現や地球温暖化対策として、世界中で再生可能エネルギーの導入が加速しています。特に太陽光発電は代表的な再エネの一つとして普及が進んでいますが、日本は平地面積が限られているため、既存のシリコン系太陽電池を大規模に設置するには物理的な制約が大きいという問題があります。
そこで、新たな切り札として注目されているのが「ペロブスカイト太陽電池」です。軽量かつ柔軟であり、低コストでの製造が期待できるなど、従来の太陽電池にはない強みを備えています。一方で、耐久性や大面積化など、実用化に向けた課題も少なくありません。本稿では、ペロブスカイト太陽電池の基礎から最新の研究動向までを整理し、日本の再生可能エネルギー拡大への可能性について考察します。

2. ペロブスカイト太陽電池とは？

2-1. ペロブスカイトの由来

「ペロブスカイト」とは、特定の結晶構造を持つ物質群の総称です。元々は灰チタン石（CaTiO₃）という天然鉱物を指していましたが、その後、同様の結晶構造を有する合成材料も含めてペロブスカイトと呼ぶようになりました。この構造は光吸収や電荷（電子・正孔）の輸送において効率が高く、太陽電池の材料として大きな注目を集めています。

2-2. 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の発電層には、ペロブスカイト構造を持つ化合物（主に有機金属ハロゲン化物）を用います。これにより、従来のシリコン系太陽電池で必要だった高温・真空環境での製造を回避でき、印刷技術などによる低温・常圧プロセスが可能になる点が大きな特徴です。
また、材料自体が薄膜化しやすく、柔軟な基板に塗布できるため、軽量かつ曲面への貼付など多彩な応用が期待されています。

3. ペロブスカイト太陽電池のメリットとデメリット

ペロブスカイト太陽電池には大きな可能性がある一方、解決すべき課題も残っています。

4-1. ペロブスカイトのメリット

低コスト化が期待できる

・製造プロセスがシンプル：印刷技術などを用いれば、高温・真空設備を要さず、大量生産に適しています。
・原材料が安価：レアメタルをほとんど使用せず、材料の調達コストが低い点が魅力です。

軽量・柔軟な設計

・薄膜化が容易：樹脂フィルムなど柔軟な基板に塗布可能で、重量の軽減が図れます。
・設置場所が多様化：曲面や建物の壁面、自動車やドローンなど、従来パネルでは困難だった場所にも適用できるため、日本のように土地制約が大きい国でも導入しやすい。

弱光環境下での高効率発電

・広い波長帯で光を吸収：曇りや室内など光が弱い条件下でも比較的高い変換効率が期待でき、日照条件が厳しい地域や都市部での安定供給に寄与します。

国内原材料の優位性（ヨウ素の産出）

・主要原料の一つであるヨウ素は、日本が世界第2位の生産量を持つため、サプライチェーンの安定化や経済安全保障の観点で有利に働きます。

3-2. ペロブスカイトのデメリット

耐久性・寿命の課題

湿気や酸素に弱く、シリコン系太陽電池（20年以上）と比べると寿命が短い（現状5年前後とされる報告が多い）ため、封止技術や保護層の開発が不可欠です。

大面積化での均一性確保の難しさ

小型セルでは高効率を示しても、大面積パネルに拡大する際に膜厚や結晶品質を均一に保つ技術がまだ成熟していません。大量生産にはプロセスの標準化が求められます。

変換効率の安定化

ラボレベルではシリコン系と肩を並べる効率が報告される一方、量産化におけるばらつきや安定性が課題であり、今後さらに改良が必要です。

屋外環境への耐性

温度変化や紫外線、風雨など過酷な屋外条件で長期間稼働させるための技術開発が進行中です。

4. シリコン系太陽電池との比較

太陽電池市場の主力は依然としてシリコン系ですが、ペロブスカイト太陽電池はシリコンにはない柔軟性や軽量性、製造コストの低さなど多くの利点を備えています。ただし、耐久性や長期安定性の面ではシリコン系に軍配が上がるのが現状です。以下のように、それぞれの長所と短所を相互補完する関係にあります。

5. 日本における導入背景とペロブスカイトの役割

5-1. 日本の設置環境と課題

日本は山間部が多く、平地面積が限られています。そのため、既に設置可能な土地にシリコン系太陽電池が普及しており、新たに大規模メガソーラーを増やす余地は大きくありません。今後、太陽光発電をさらに拡大するには、以下のような課題があります。
・建物の屋根・外壁や遊休地などの有効活用
・都市部や公共施設への設置拡大
・設置負荷を抑える軽量なパネルの導入

5-2. ペロブスカイト太陽電池の可能性

ペロブスカイト太陽電池は軽量・柔軟性を活かし、ビルの壁面や窓、自動車の屋根など、従来パネルでは困難だった場所にも対応できます。さらに、低コスト化が進めば、設置コスト抑制の観点からも新たな普及の波をもたらす可能性があります。
また、日本はヨウ素の生産で強みがあるため、ペロブスカイトの原材料を国内で一部賄えるというアドバンテージも見逃せません。

6. 国内の研究動向

6-1.積水化学工業

積水化学工業株式会社（以下、積水化学工業）は、株式会社NTTデータと共同で、国内初となる建物外壁へのフィルム型ペロブスカイト太陽電池の実証実験を2023年4月から開始します。まずは同社の開発研究所（大阪府三島郡）外壁に小面積を設置して課題を洗い出し、その後、NTTデータが運営する「NTT品川TWINSデータ棟」（東京都港区）の外壁へ設置し、垂直面での発電効率や耐久性、建物内での再生可能エネルギー利用の実用性などを検証する計画です。実証期間は2024年度までを予定しており、以下のような具体的な狙いがあります。

外壁設置方法の確立

従来のシリコン系太陽電池は重量や形状の問題から、屋根や地上など平坦で頑丈な場所に限定されがちでした。一方、フィルム型ペロブスカイト太陽電池は軽量かつ柔軟であるため、ビル外壁といった垂直面にも設置でき、都市部の既存建物においても再生可能エネルギーの導入を拡大する可能性があります。今回の実証では、外壁への実際の取り付け方法や固定技術、施工性などを検証し、今後の普及に向けた指針を得ることが重要なテーマです。

垂直面における発電効率の検証

太陽電池は一般的に屋根面などの水平または傾斜した面で使用されることが多く、垂直面での発電効率データは限られてきました。本実証では実際に外壁面に設置して発電量を測定し、予測値と比較することで、効率低下の要因や改善策を検討します。また、塩害地域での耐久性評価も進め、様々な立地条件での実装に備えます。

都市部の再エネ利用拡大への貢献

都市圏では用地不足のため、大規模メガソーラーを導入しづらい状況が続いています。そのため、遠隔地で発電した電力を購入・利用するオフサイトPPAや自己託送制度が盛んですが、送電ロスやコスト負担が課題です。ビル外壁など既存ストックを活用する今回の技術が確立すれば、エネルギーの地産地消が促進され、都市部における脱炭素化へ大きく寄与することが期待されます。

量産化と技術確立に向けた展望

積水化学工業は「封止」「成膜」「材料」「プロセス技術」の独自ノウハウを活かし、屋外耐久性10年相当のフィルム型ペロブスカイト太陽電池を開発。さらに30cm幅のロール・ツー・ロール製造プロセスを構築し、発電効率15.0％を達成しています。今後はNEDOのグリーンイノベーション基金を活用し、1m幅へのスケールアップや耐久性向上、施工方法の標準化を推進。2025年の事業化を目指すとともに、JR西日本うめきた（大阪）駅や東京都下水道局森ヶ崎水再生センターへの設置など、用途拡大と実証データの蓄積に取り組む方針です。

6-2.カネカ

株式会社カネカは、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が推進する「グリーンイノベーション基金事業／次世代型太陽電池の開発」による助成金交付決定を受け、高性能ペロブスカイト太陽電池の実用化技術開発を加速しています。ペロブスカイト太陽電池は、高変換効率と低製造コストを同時に実現できる次世代型太陽電池として近年注目度が高く、軽量性・柔軟性を活かして設置場所の制約を大幅に低減する可能性を秘めています。

同社では、自社設計のポリイミドを基板に用い、薄膜シリコン太陽電池の量産技術を応用して、世界最薄水準（約10μm厚）の超薄型ペロブスカイト太陽電池を開発。これにより、フィルム型ペロブスカイト太陽電池として世界最高水準である20％に迫る変換効率を達成しました。今後は「サイズフリー・超薄型の特長を活かした高性能ペロブスカイト太陽電池の実用化技術開発」をさらに推進し、社会実装へ向けた製造工程の整備や耐久性向上など、多角的な検証と改良を重ねる計画です。

また、同社は「気候関連財務情報開示タスクフォース（TCFD）」の提言にも賛同し、2050年カーボンニュートラルの実現に向け、太陽電池事業を重要領域の一つとして位置づけています。既存技術では設置が困難な場所や用途への太陽電池導入拡大を目指し、ペロブスカイト太陽電池による新たなエネルギーソリューションを通じて、脱炭素社会の実現に貢献していきます。

7. 活用分野と将来展望

7-1. 建物統合型太陽光発電（BIPV）

薄膜型ペロブスカイト太陽電池は軽量かつフレキシブルなため、ビル外壁や窓など建物と一体化させる発電方式「BIPV（Building Integrated Photovoltaics）」との親和性が高いと期待されています。都市部の壁面や屋根を有効活用できるため、日本のように平地が少ない地域での発電量拡大に貢献する可能性があります。

7-2. 輸送機器への応用

自動車、航空機、ドローンなど、軽量化が重視される輸送機器の表面に貼り付ける形で電力を供給すれば、燃費改善や稼働時間延長に寄与します。将来的に電動モビリティが増えると、車体そのものが発電を担う技術はより重要度を増すでしょう。

7-3. IoTデバイスや小型電子機器

室内など弱い光でも発電できる特性を活かし、センサーやウェアラブル機器への電力供給源として利用する動きが見られます。電池交換を減らすことでメンテナンスコストを下げ、IoT社会のインフラ整備を後押しする可能性があります。

7-4. 今後の技術改良

耐久性を高めるための封止材料や保護層、結晶構造の最適化、大面積化の均一な製造プロセスなど、多角的な研究が続けられています。特に「タンデム型」による高効率化のほか、ペロブスカイトを含むハイブリッド構造の開発も活発であり、各国の研究機関や企業が競争的に実証実験を進めています。

8. まとめ

ペロブスカイト太陽電池は、高変換効率、低コスト製造、軽量かつ柔軟な設計という特長を兼ね備えた次世代型の太陽光発電技術として注目されています。従来のシリコン系太陽電池では設置が難しかった場所――例えばビルの外壁や自動車の屋根、ドローンの翼など――への応用が可能となり、日本のように平地面積が限られた国においても再生可能エネルギーの導入を大きく拡大できる可能性を秘めています。特に、都市部や工場施設でのエネルギー自給率の向上に貢献できる点は大きな魅力です。

一方で、耐久性の向上や大面積パネルへの均一な製造といった課題も存在し、これらを克服するために国内外の企業や研究機関が積極的に技術開発を進めています。日本では積水化学工業やカネカといった企業が実証実験を通じて技術の実用化を加速させており、近い将来、都市部を中心にペロブスカイト太陽電池の導入が本格化することが期待されています。

また、岩手県のような寒冷地域や積雪地帯でも、ペロブスカイト太陽電池の特性を活かした太陽光発電の導入が可能です。軽量かつ柔軟な設計により、積雪荷重の影響を受けにくい屋根や壁面への設置が期待できるほか、弱光環境下でも発電効率が高いため、冬季の日照時間が短い地域でも安定した電力供給が見込まれます。岩手県においても、地域の特性に適した再生可能エネルギーの普及が進めば、地元経済の活性化やカーボンニュートラルの実現に向けた大きな一歩となるでしょう。

ペロブスカイト太陽電池は、持続可能な社会の構築に向けた強力なツールとして、今後も進化を続けるとともに、日本各地での再生可能エネルギー導入を牽引する存在になることが期待されています。


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