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クロアチア・ザダルの強烈な日差しをエネルギーに変換し、近くの街灯を照らす「太陽への挨拶」という名の太陽電池パネル。夜になると、このパネルのLED照明が色とりどりに路面を彩る=Pixabay提供(Katarzyna Tyl撮影)//ハンギョレ新聞社

　1970～80年代には電子計算機にくっついていた小さな太陽電池が、人類を「救う」再生可能エネルギー源として注目を集めた。しかし商用化されているシリコンの太陽電池パネルは、逆説的にも二酸化炭素排出の「主犯」だ。太陽電池パネルに使う高純度シリコンを得るためには砂(クォーツ)をアーク炉に入れ、1500～2000度の熱を加えなければならないからだ。世界が第3世代のペロブスカイト太陽電池に注目するのは、光電変換効率(光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率)がシリコンに劣らないのに、安価な素材で低温で製造できるからだ。韓国化学研究院(化学研)は25日、「化学素材研究本部のソ・ジャンウォン責任研究員の研究チームが、ペロブスカイト太陽電池の効率を画期的に向上させる主要素材技術を開発した」と発表した。同研究チームの成果は科学ジャーナル「ネイチャー」24日(現地時間)付に表紙論文として掲載された。

韓国化学研究院のペロブスカイト太陽電池についての論文が「ネイチャー」の表紙に選ばれた=韓国化学研究院提供//ハンギョレ新聞社

　ペロブスカイトとは、ロシアの鉱物学者レフ・ペロフスキーが鉱物から初めて発見した特定の化学構造を表す言葉だ。日本の研究チームは2009年にペロブスカイト物質を初めて太陽電池に用いた。その後、世界の研究者たちは、ペロブスカイト太陽電池の光電変換効率の向上競争に突入した。化学研はこの競争で7回も先頭に立つ成果をあげている。今回の論文で発表された25.2％の効率は、2019年8月に達成したもので、シリコン太陽電池の最高効率26.7％と1.5ポイントの差しかない。現在の最高効率は、これまで4回も最高効率を更新してきた蔚山(ウルサン)科学技術院のソク・クァンイル教授のチームが昨年に達成した25.5％。

ペロブスカイト太陽電池(a)とペロブスカイト太陽電池の構造(b)=韓国化学研究院提供//ハンギョレ新聞社

　ソ・ジャンウォン責任研究員の研究チームは「ネイチャー」に掲載された論文で、25.2％の高い効率を達成した原理を説明した。太陽電池は、太陽光を受けて電気エネルギーに変える素子であり、ペロブスカイト太陽電池は、光を受けて電流を発生させる光活性層がペロブスカイト素材でできている。研究チームは、様々な光活性層のうち、電圧を高める電子輸送層と電流を高めるペロブスカイト層の素材を新たに開発した。

　研究チームは、化学溶液蒸着法という技術を用い、太陽電池の透明電極の上でスズ酸化物を直に合成し、電子がうまく移動するようにした。電子がうまく移動すれば電圧が高まり、効率が上がる。研究チームはまた、光がよく吸収されるようにペロブスカイト層の表面処理技術を開発し、添加物は減らしつつ効率を高められる方法を見出した。研究チームの新たな素子は、太陽電池の最高効率情報を四半期ごとに発表する米国立再生可能エネルギー研究所(NREL)のチャートで、2期連続でトップに立った。新たな素子は、500度を超える高温の熱処理工程が必要だった従来の高効率ペロブスカイト太陽電池と異なり、150度以下の低温で製造できるという長所がある。

米国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の太陽電池効率チャート//ハンギョレ新聞社

　研究チームは「特筆すべきこととして、今回開発したペロブスカイト太陽電池は明るい光を出せるという特徴を持っているため、発光素子(LED)としての可能性を世界で初めて証明した」と明らかにした。従来のペロブスカイト太陽電池は発光効率が5～10％にとどまり、発光素子としては注目されていなかったが、測定の結果、研究チームの太陽電池の発光効率は17％だった。

　ソ責任研究員は「今回開発したペロブスカイト太陽電池は、再生可能エネルギー分野以外にもディスプレーなどの様々な分野に用いられると期待される」と述べた。研究チームはまた、ナノ粒子アバランシェ増幅を利用して、ペロブスカイト太陽電池が吸収できない周波数の光を用いることで電流を向上させる方法を探っていることを明らかにした。