九州大学准教授 高橋幸奈氏〜小型化・透明化が進む太陽光パネル｜私たちの暮らしに溶け込むクリーンエネルギーの姿

太陽光発電と聞くと、広大な敷地にソーラーパネルが整然と設置されている光景や、住宅の屋根に取り付けられたパネルを連想する方がほとんどではないでしょうか。ところが、研究の進展によって、限られたスペースでも高い発電効率を実現できるコンパクトなパネルや、可視光を透過しながら発電する「透明型」パネルが、近い将来に実用化される可能性があります。

今回は、九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所で准教授を務める高橋幸奈先生に、クリーンエネルギーをめぐる現状の課題や、今後の展望についてお話を伺いました。

私たちの暮らしに幅広く応用が期待されるテーマですので、ぜひ最後までご覧ください。

太陽光が注目される理由──世界の年間消費量の約5,000倍に匹敵するエネルギー源

Financial Academic Journal（以下 FAJ）：まずは、クリーンエネルギーへの関心が高まっている背景について教えてください。

高橋准教授：現在のエネルギー供給は化石燃料に大きく依存していますが、これらの資源にはいずれ限界が訪れると指摘されています。その代替として注目を集めているのが再生可能エネルギーです。原子力についても選択肢の一つではありますが、安全面での懸念が根強く残っています。そうした事情から、環境への負荷が小さい再生可能エネルギーに期待が寄せられているわけです。

FAJ：化石燃料の有限性に加え、CO2排出削減の観点からもクリーンエネルギーの重要性は増す一方ですよね。再生可能エネルギーの中でも、特に太陽光に注目されている理由はどこにあるのでしょうか。

高橋准教授：風力や地熱など再生可能エネルギーにはいくつもの種類がありますが、私たちが着目しているのは太陽光です。エネルギー保存則の観点で考えると、地球内部から取り出せるエネルギーには上限があります。一方で太陽光は、地球の外部から届くエネルギーですので、石油のように使い尽くしてしまう心配がありません。実際、太陽から地球へ届く年間のエネルギー総量は、全世界の消費量のおよそ5,000倍にも達するといわれています。

ただし、太陽光はエネルギーの密度がそれほど高くないという側面もあります。この密度を技術的に引き上げ、光エネルギーを効率よく集約して電気へ変換する仕組みを構築できれば、いま直面しているエネルギー課題の打開策になり得ると考えています。

日照時間の短さと国土の制約──日本における太陽光発電の壁

FAJ：日本国内でもクリーンエネルギーの導入は進んでいますが、化石燃料を完全に置き換えるまでには至っていない印象です。現状における課題をお聞かせいただけますか。

高橋准教授：太陽光をはじめとする再生可能エネルギー全般にいえることですが、供給の安定性が最大のボトルネックになっています。とりわけ日本は、想像以上に晴天日数が少ない地域が多いんです。東北地方や日本海側は曇天・雨天・降雪の日が多いですし、関東でも梅雨の時期にはなかなか晴れません。年間を通じて一定量の電力を確保し続けるのは容易ではありません。ですので、発電効率の向上だけでなく、蓄電池など二次電池との組み合わせによって、発電した電力を貯めておく仕組みとの連携が不可欠になってくると感じています。

FAJ：たしかに、日本は全国的に安定した日照が望めるとはいえません。やや極端な発想ですが、サハラ砂漠のように年間日照量が極めて多い場所のほうが太陽光発電に適しているのでしょうか。あるいは、いっそ人工衛星を使って宇宙空間で発電するほうが合理的だったりしますか？

高橋准教授：晴れの日が多いほうが有利なのは当然ですが、発電した電力を消費地へどう届けるかという送電の問題がありますので、単純に「日照量が多い＝最適」とは言い切れません。サハラ砂漠であれば砂塵によるパネル劣化のリスクもありますしね。日本国内では、水上──海面や湖面──にパネルを浮かべて発電する手法の研究も進められています。

宇宙空間での発電については専門外なので詳しくはお答えしかねますが、衛星上で得た電力をどのように地上へ送るかという大きなハードルがあると思います。別のエネルギー形態に変換して送電する場合でも、天候による遮断リスクは残りますので、現状では地表で発電するほうが効率面で優位というのが一般的な見解でしょう。

日本で太陽光発電を広げるために求められる技術と戦略

FAJ：天候はコントロールできない要素ですが、そうした条件下でも日本でクリーンエネルギーの普及を加速させるには、どのようなアプローチが考えられるでしょうか。

高橋准教授：太陽光発電の観点で申し上げると、光エネルギーの密度を高め、より高効率に活用することが中心的な課題です。従来の太陽電池では十分に利用できていなかった微弱光や、可視光以外の近赤外光のように一光子あたりのエネルギーが小さい波長域の光も的確に捕捉し、発電に生かす技術の確立を目指しています。効率の改善と並行して、発電可能な面積そのものを拡大することも同様に重要です。

加えて、日本は比較的曇天が多い環境ですから、太陽電池だけに頼るのは現実的ではありません。火山大国としての利点を生かした地熱発電など、多様なクリーンエネルギーをバランスよく組み合わせることが、日本にとって最も合理的な道筋だと考えています。

エネルギー自給率12.1%の日本──太陽光発電がもたらす安全保障上のメリット

FAJ：今後の技術革新によって太陽光発電がさらに普及した場合、日本社会にはどのような変化が起こり得るとお考えですか。

高橋准教授：太陽光スペクトルのおよそ半分は近赤外光から赤外光が占めていますが、これらは一光子あたりのエネルギーが小さいために、これまで十分に活用されてこなかった領域です。新たな技術によってこうした波長帯まで効率的に利用できるようになれば、太陽光という巨大なエネルギー資源からの恩恵をもっと受けられるようになり、日本のエネルギー自給率を引き上げることにつながると期待しています。

エネルギー庁の公表データによると、2019年時点で日本のエネルギー自給率はわずか12.1%にとどまっています。この数字は、低水準が指摘されがちな食料自給率のさらに約3分の1という深刻な水準です。ロシア・ウクライナ間の紛争が示しているように、国際情勢の変動が国内のエネルギー供給に直接影響を及ぼすリスクを考えれば、安全保障の面からもエネルギーの自国調達能力を高めることは極めて重要です。

さらに、エネルギーを国内で自立的にまかなえるようになれば、新たな産業の創出にもつながります。海外資源への依存度を下げ、自然エネルギーで自国の需要を充足できる体制を築くことは、経済的にも大きな意味を持つと思います。

金属ナノ粒子の可能性──企業との共同研究と実用化への道

FAJ：太陽光発電の技術開発には、異分野との連携や産学共同研究なども不可欠かと思いますが、現在進行中の取り組みはありますか。

高橋准教授：私たちの研究では金属ナノ粒子に金を用いることがありますが、昨今はレアメタル全般の価格高騰が進んでいます。かつては有機色素と比較して金のほうがコスト面で有利だったのですが、その優位性が薄れつつあります。そこで、有機系材料との複合化や、生体由来の酵素を組み込むといった新しい方向性も検討していきたいと考えています。

産業界との連携としては、塗料メーカーである大日本塗料と共同研究を進めています。金属ナノ粒子を色材として応用する可能性を共に探っているところです。有機色素と比べて安定性に優れている点、そして同一素材で紫外域から近赤外域まで幅広い色彩を出し分けられる点が、企業側が期待を寄せているポイントのようです。また、学会で交流のあった研究者が立ち上げたスタートアップでは、金属ナノ粒子の導電性を活かしたインク材料の開発が行われており、応用の幅は着実に広がっています。

透明パネルや小型化──太陽光発電がもっと身近になる未来

FAJ：太陽光パネルの設置に対しては、景観への影響などから地域住民の反対意見が出ることもあると耳にします。そうした社会的な受容を促すための活動にも携わっていらっしゃいますか。

高橋准教授：直接的な関与とはいえないかもしれませんが、サイエンスカフェなどの場を通じて、一般の方々に研究内容をわかりやすくお伝えする機会は設けています。

また技術面でいえば、先ほどお話しした金属ナノ粒子には、近赤外光だけを選択的に吸収する機能を持たせることが可能です。つまり、近赤外光のエネルギーのみを発電に回し、人の目に見える可視光はそのまま通すパネルを設計できる可能性があるということです。具体的には、オフィスビルの窓ガラスに組み込んで近赤外光で発電しつつ室内には自然光を届けたり、農地の上に設置して近赤外光だけを利用しながら作物に必要な光は遮らない、といった活用シーンが想定されます。

さらに、光エネルギーの利用効率が向上すれば、パネル自体のサイズを大幅に縮小することも現実味を帯びてきます。これまでは大面積・広大な用地が前提となっていましたが、コンパクトなパネルで必要な分だけ身の回りで発電できる、そんなスタイルがこれからは実現していくのではないかと考えています。

まとめ

地球に届く太陽光のエネルギー総量は、全人類の年間消費量の約5,000倍にも上ります。この莫大な資源をさらに効率的に電力へ転換する技術は、将来的に実用レベルへ到達する見通しが立ちつつあります。

こうした技術革新が進むことで、エネルギー問題やパネル設置に伴う用地確保の難題に対しても、突破口が開けてくるかもしれません。太陽光発電を私たちの生活のすぐそばで活用できる時代は、想像以上に近づいているのではないでしょうか。

取材・執筆：Financial Academic Journal