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実用化に向け開発競争が進む「タンデム型太陽電池」 特徴や課題を専門家が解説
（※本記事は「産総研マガジン」に2024年7月24日付で掲載された記事を、許可を得て掲載しています）
タンデム型太陽電池は、2つ以上の太陽電池を直列に並べて、それぞれが得意な波長を吸収することで太陽光を有効に利用し、太陽エネルギーをより大きな電気に変換できるようにした太陽電池です。現在主に用いられているシリコン単独の太陽電池の発電効率は一般的に20 %程度ですが、30 %まで引き上げることができればその発電量は1.5倍になります。そこで現在、最も高い発電効率を持つ化合物半導体を使った太陽電池と、最も普及している低価格のシリコン太陽電池を重ね合わせた、タンデム型太陽電池の開発が活発化しています。また、最近注目を集めているペロブスカイト太陽電池とシリコンをタンデムにする研究も盛んです。
2050年カーボンニュートラル実現という目標に向けて、再生可能エネルギー導入の拡大が不可欠です。その中心となるのが太陽光発電。日本の太陽光発電の導入量は、2022年末の段階で中国、米国に次ぐ世界第3位となっています。しかし、現在の太陽光パネルの主力であるシリコン太陽電池では太陽光の波長の全てを電気に変換することはできず、発電効率の向上が求められています。そこで他の材料を用いた太陽電池と接合することで、同じ面積でより多くの電気を作り出せる「タンデム型太陽電池」の技術が注目されています。タンデム型太陽電池の開発動向について、ゼロエミッション国際共同研究センター（GZR）多接合太陽電池研究チームの菅谷武芳研究チーム長に聞きました。
タンデム型太陽電池とは
シリコン太陽電池と化合物太陽電池やペロブスカイトを積層
タンデム型太陽電池のタンデムとは、もともと2頭の馬を横並びではなく縦につなげた馬車を語源とし、そこから転じて自転車やオートバイの2人乗りもタンデムと呼びます。タンデム型と呼ぶ太陽電池は、2種類以上の異なる材料の太陽電池を直列に接続したもので、シリコンやCIS（銅・インジウム・セレンの化合物）などのバンドギャップの比較的小さな材料に、バンドギャップの大きいペロブスカイトやⅢ－V族の化合物半導体を積層して効率アップしたものです。シリコンなどと化合物半導体やペロブスカイトの2層だけでなく、太陽光の波長を幅広く活用するために3層や4層、さらに6層まで直列に多接合したⅢ－V族化合物半導体太陽電池も研究されています。
一般的な太陽電池はシリコンを材料としています。しかし、幅広い太陽光の波長の中でシリコンが効率良く光を電気に変換できる領域は限られており、その波長以外の光は熱として吸収されたり、また一部は透過してしまいます。これらの利用されない波長の光を受け止めて電気に変換できれば、その分の光を有効活用して変換効率をアップできることになります。そこで、シリコン中で熱になる短波長の光を吸収できるペロブスカイトや、元素の周期表でⅢ族とⅤ族から成る化合物半導体を用いた太陽電池との接合が進められています。Ⅲ－Ⅴ族化合物半導体は材料によってさまざまなバンドギャップを取れるので、インジウムガリウムリン（InGaP）やガリウムひ素（GaAs）はシリコンの上部に接続されるし、バンドギャップの小さいインジウムガリウムひ素（InGaAs）はシリコンの代わりにもなります。
過酷環境に強いⅢ－V族化合物半導体系タンデム型太陽電池
Ⅲ－V族化合物半導体系タンデム型太陽電池は、周期表のⅢ族（13族）とⅤ族（15族）の元素を組み合わせて作る太陽電池で、変換効率が高く、耐久性に優れるのが最大のメリットです。過酷な環境下で使用される人工衛星や惑星探査機などに搭載されています。24年1月に月面着陸に成功した日本初の小型月着陸実証機SLIMにもⅢ－V族系太陽電池が搭載され、注目を集めました。この太陽電池の構造は、最上層のトップセルにインジウムガリウムリン（InGaP）、中間のミドルセルにガリウムひ素（GaAs）、最下層のボトムセルにインジウムガリウムひ素（InGaAs）の3層で成り立っています。この構造で、モジュールとして変換効率32.7 %の世界記録を達成しています。
ペロブスカイト系タンデム型太陽電池の開発競争も過熱
現在、太陽電池の原料として注目されているペロブスカイト結晶は、鉛やメチルアミン、ヨウ素などの元素で構成されています。変換効率は年々向上して現在26 %程度となり、薄いフィルム状の太陽電池を作ることができ、軽くて曲げられるという特徴を備えています。ガラスと同じように硬いシリコン結晶で構成されたシリコン太陽電池に比べて軽量なので、耐荷重の限られる建物の屋根や自動車のルーフなどへの設置を目指して開発されています。しかも液状のペロブスカイトをフィルムに塗布するだけで、太陽電池ができるので低コストという点でも期待されています。
そのペロブスカイト太陽電池をシリコン太陽電池と接合しタンデム型とすることで、一般のシリコン太陽電池にプラスして発電量を増やすことが可能です。このため、世界的にはシリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池を接合したタンデム太陽電池の開発競争が過熱しています。
しかしペロブスカイトを使ったタンデム型太陽電池は、シリコン単独の太陽電池に比べ耐久性が低いため、タンデム型として長期間の使用に向かないという欠点があります。現在耐久性向上の研究が世界中で行われており、その開発が実用化のカギとなるでしょう。
（記事の続きはこちらから。産総研マガジン「タンデム型太陽電池とは？」）
