ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けた課題やデメリットを解説｜日本メーカーの技術開発動向に注目！
ペロブスカイト太陽電池は「高効率」「低コスト」「場所を選ばない」というメリットを有する有望技術ですが、今すぐに量産が開始される状況にないのも事実です。
今回は、このペロブスカイト太陽電池の性能に大きく影響する因子、デメリット、実用化・社会実装に向けた取り組みについて解説します。
目次
１．性能に最も影響する因子：ペロブスカイト結晶の質
ペロブスカイト太陽電池の性能は多くの因子に支配されますが、その中で最も重要なのはペロブスカイト層の結晶の質です。結晶粒子が作る結晶粒界は欠陥の要因となりますので、その存在は好ましくありません。平坦な一枚岩状態が理想的です。
図1は、良好な膜質と不良な膜質を模式的に示したものです。
【図1 ペロブスカイト太陽電池におけるペロブスカイト結晶の膜の質（模式図）】
では、良好な膜を得るにはどうしたら良いのでしょうか？
膜質は、
1）図2に示すペロブスカイト結晶構造の構成要素であるABXとして何を選択するか
と、
2）膜形成時の塗布方法
に支配されることが分かっています。
【図2 ペロブスカイト結晶構造と構成要素】
上述1）の構成要素では、以下の点が確認されています1）。
A: Cs+, CH3NH3+, HC(NH2)2+の混合使用が、単独使用より良好
B: Pb2+が, Sn2+より良好
C:ハロゲンイオン（ I–, Br–, Cl–）の混合使用が、単独使用より良好
２．ペロブスカイト太陽電池のデメリット：耐久性の不足
ペロブスカイト太陽電池のデメリットとして耐久性、具体的には耐熱性・耐光性・耐湿性の不足が指摘されています。耐湿性は湿気を遮断する高分子膜で被覆することで改善可能ですが、耐熱性と耐光性は厄介です。
（1）耐熱性の不足
耐熱性の不足は、ペロブスカイト太陽電池が、構成要素AがCs+, CH3NH3+, HC(NH2)2+の混合系の時、即ち、有機無機の混合系の時に高性能を示すことに起因します。
有機物が無機物に比べて耐熱性が劣るのは、解決困難な本質的な問題です。
構成要素AをCs+のみした完全無機のペロブスカイトは十分な耐熱性を有することが確認されていますが、変換効率が有機無機混合系には劣るのが現状です。
（2）耐光性の不足
耐光性の不足は、ペロブスカイト太陽電池が、構成要素Ｘがハロゲン混合系の時に高性能となることに起因します。XとしてI–と Br–を混合使用すると、光の照射により分相と呼ばれる結晶構造の変化が起こります。
XがI–のみならば生じない問題です。
３．鉛の毒性について
構成要素BがPb2+を用いたペロブスカイト膜は膜質が良好であり、高い変換効率が得られるので、性能面で不足はありません。
問題は鉛の毒性です。使用量は僅かですが、毒性は軽視できません。
Sn2+を用いた代替品の研究が進んでいます。その一例を、少し古いデータですが、図3に示します2）。
【図3 Pb2+をSn2+で代替したペロブスカイト太陽電池の変換効率の例】
Sn2+系は最新データでも15％程度であり、Pb2+品にはまだ及びません。
４．社会実装を目指す日本政府の支援とメーカーの開発
日本政府はペロブスカイト太陽電池の開発を支援しており、グリーンイノベーション（GI）基金」において、「次世代型太陽電池の開発プロジェクト」（498億円）を立ち上げ、2030年の社会実装を目指しています3）。
この支援の下で積水化学、東芝、カネカ、エネコートテクノロジーズ、アイシン等のメーカーが精力的に開発を進めています。
例えば、積水化学は以下の点を2023年12月に発表しています4）。
- 屋外耐久性10年相当を確認し、30cm幅のロール・ツー・ロール製造プロセス（複数のドラム・ロールの間で製品を搬送しながら印刷や塗布を実施する手法）を構築し、変換効率15.0％のフィルム型太陽電池の製造に成功したこと
- 実用化に向けて1m幅での製造プロセスの確立、耐久性や変換効率のさらなる向上を目指すこと
早期の社会実装と、太陽電池生産における日本の復活が期待されます。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 N・A）
《引用文献、参考文献》
- 1） 宮坂力, ペロブスカイト太陽電池, 共立出版(2024)
- 2） 以下のデータを参考に作成
・National Renewable Energy Laboratory（WEBサイト）：
https://www.nrel.gov/pv/interactive-cell-efficiency.html
・早瀬修二, 鉛を含まないペロブスカイト太陽電池, 新技術説明会2021年５月：
https://shingi.jst.go.jp/pdf/2021/2021_mirai_6.pdf - 3） 資源エネルギー庁（WEBサイト）
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/perovskite_solar_cell_02.html - 4） 積水化学株式会社（WEBサイト）
https://www.sekisui.co.jp/news/2023/1396594_40075.html
