今日、世界中の屋根、畑、砂漠を覆うほとんどの太陽光パネルは、結晶シリコンという共通の原料を使用しています。この材料は原料のポリシリコンから作られ、ウェハ状に成形され、太陽電池へと配線されます。太陽電池は太陽光を電気に変換する装置です。近年、この単一技術への依存は、業界にとって一種の負債となっています。サプライチェーンのボトルネック減速している世界中で新しい太陽光発電設備。中国の新疆ウイグル自治区の主要ポリシリコンサプライヤー—ウイグル族を強制労働させたとして告発された— 米国の貿易制裁に直面している。
幸いなことに、結晶シリコンは太陽エネルギーを活用できる唯一の材料ではありません。米国では、科学者とメーカーがテルル化カドミウム太陽電池の生産拡大に取り組んでいます。テルル化カドミウムは「薄膜」太陽電池の一種で、その名の通り、従来のシリコン太陽電池よりもはるかに薄いです。現在、テルル化カドミウムを使用したパネルは約40％の供給米国の大規模太陽光発電市場の約5%、そして世界の太陽光発電市場の約5%を占めています。そして、太陽光発電業界全体が直面している逆風から恩恵を受ける立場にあります。
「特に結晶シリコンのサプライチェーン全体にとって、非常に不安定な時期です」と、エネルギーコンサルティング会社ウッド・マッケンジーの太陽光リサーチアナリスト、ケルシー・ゴス氏は述べた。「来年、テルル化カドミウムメーカーが市場シェアを拡大する大きな可能性があります。」特に、テルル化カドミウムセクターが既に規模拡大していることが、その大きな要因だと彼女は指摘した。
6月に太陽光発電メーカーのファーストソーラーは、6億8000万ドルを投資オハイオ州北西部に3番目のカドミウムテルル化物太陽電池工場を建設する。この施設が完成する2025年には、同社はこの地域で6ギガワット相当の太陽光パネルを生産できるようになる。これはアメリカの約100万世帯に電力を供給するのに十分な量だ。オハイオ州に拠点を置く別の太陽光発電企業、トレド・ソーラーも最近市場に参入し、住宅屋根用のカドミウムテルル化物パネルを製造している。また、6月には米国エネルギー省と国立再生可能エネルギー研究所（NREL）が、2000万ドルのプログラムを開始テルル化カドミウムの研究を加速し、サプライチェーンを拡大する。このプログラムの目標の一つは、米国の太陽光発電市場を世界的な供給制約から守ることである。
NRELとファーストソーラー（旧称ソーラーセル社）の研究者は、1990年代初頭から協力して、テルル化カドミウム技術カドミウムとテルル化物は、それぞれ亜鉛鉱石の製錬と銅の精錬の副産物です。シリコンウェハーを配線してセルを製造するのに対し、カドミウムとテルル化物は、他の導電材料とともに、人間の髪の毛の直径の約10分の1ほどの薄い層としてガラス板に塗布されます。現在、世界最大の薄膜メーカーであるファーストソーラーは、45カ国に太陽光発電設備用のパネルを供給しています。
NRELの科学者ロレル・マンスフィールド氏によると、この技術は結晶シリコンに比べていくつかの利点があるという。例えば、薄膜プロセスではウェハベースのアプローチよりも必要な材料が少なくて済む。薄膜技術は、バックパックやドローンを覆ったり、建物のファサードや窓に組み込んだりするフレキシブルパネルにも適している。重要なのは、薄膜パネルは高温下で優れた性能を発揮するのに対し、シリコンパネルは過熱して発電効率が低下する可能性があることだとマンスフィールド氏は述べた。
しかし、結晶シリコンは平均効率など他の分野で優位に立っています。平均効率とは、パネルが吸収して電気に変換する太陽光の割合を指します。歴史的に、シリコンパネルはテルル化カドミウム技術よりも高い効率を誇ってきましたが、その差は縮まりつつあります。今日、工業的に生産されるシリコンパネルは、18～22パーセント一方、ファースト・ソーラーは、最新の商用パネルの平均効率が18パーセントであると報告している。
それでも、シリコンが世界市場を席巻している主な理由は比較的単純だ。「結局のところ、コストの問題です」とゴス氏は言う。「太陽光発電市場は、最も安価な技術によって大きく牽引される傾向があるのです。」
結晶シリコンは太陽光発電1ワットあたり約0.24～0.25ドルのコストがかかるが、これは他の競合製品よりも低いと彼女は述べた。ファーストソーラーは、カドミウムテルル化物パネルのワット当たり生産コストを公表しておらず、2015年以降コストが「大幅に低下した」とだけ述べている。1ワットあたり0.46ドルのコストが報告されている—そして毎年下落し続けています。シリコンが比較的安価である理由はいくつかあります。コンピューターやスマートフォンにも使用されるポリシリコンの原料は、カドミウムやテルル化物よりも入手しやすく、安価です。シリコンパネルや関連部品の工場が拡大するにつれて、この技術の製造と設置にかかる全体的なコストは低下しました。中国政府も、支援および補助金同国のシリコン太陽光発電部門は、約80パーセント現在、世界の太陽光発電製造サプライチェーンの半分は中国を経由しています。
パネルコストの低下が世界的な太陽光発電ブームを牽引しています。過去10年間で、世界の太陽光発電設備容量は2011年の約74,000メガワットから2020年には約714,000メガワットへと、ほぼ10倍に増加しました。によると国際再生可能エネルギー機関。米国は世界全体の約7分の1を占めており、太陽光発電は現在最大の情報源の一つ米国で毎年導入される新規電力容量。
同様に、テルル化カドミウムやその他の薄膜技術のワット当たりコストも、製造の拡大とともに低下すると予想されています。ファーストソーラーは言う同社はオハイオ州の新施設がオープンすれば、太陽光発電市場全体でワット当たりのコストが最も低くなると述べている。しかし、業界の現在のサプライチェーン問題や労働懸念からも明らかなように、コストだけが重要な指標ではない。
ファーストソーラーのCEO、マーク・ウィドマー氏は、同社が計画している6億8000万ドル規模の拡張は、自立したサプライチェーンを構築し、米国の太陽光発電産業を中国から「切り離す」という、より大きな取り組みの一環だと述べた。テルル化カドミウムパネルはポリシリコンを一切使用していないが、ファーストソーラーは、パンデミックによって引き起こされた海上輸送業界のバックログなど、業界が直面している他の課題を感じていた。4月にファーストソーラーは投資家に対し、米国の港湾の混雑により、アジアの施設からのパネル出荷が滞っていると説明した。米国での生産を増やすことで、貨物船ではなく道路や鉄道を使ってパネルを輸送できるようになるとウィドマー氏は述べた。また、同社が既に実施している太陽光パネルのリサイクルプログラムにより、材料を何度も再利用することができ、外国のサプライチェーンや原材料への依存をさらに減らすことができる。
ファーストソーラーがパネルを大量生産する一方で、同社とNRELの科学者たちはテルル化カドミウム技術の試験と改良を続けている。2019年、両パートナーは新しいアプローチを開発した薄膜材料に銅と塩素を「ドーピング」することで、より高い効率を達成するという。今月初め、NRELは結果を発表したコロラド州ゴールデンにある屋外施設で25年間のフィールドテストを実施した結果、カドミウムテルル化物パネル12枚が当初の効率の88%で稼働していることがわかりました。これは、20年以上屋外に設置されていたパネルとしては素晴らしい結果です。NRELの発表によると、劣化の程度は「シリコン系システムの劣化とほぼ一致している」とのことです。
NRELの科学者マンスフィールド氏は、目標は結晶シリコンをテルル化カドミウムに置き換えたり、ある技術が他の技術よりも優れていると証明することではないと述べた。「市場にはこれらすべての技術に場所があり、それぞれに用途があると考えています」と彼女は述べた。「私たちはすべてのエネルギーを再生可能エネルギー源に切り替えたいと考えています。そのため、この課題を解決するには、これらすべての異なる種類の技術が本当に必要なのです。」
投稿日時: 2021年9月17日