高価で強力なガリウムヒ素電池は将来安価になるか？

第12回中国電子情報博覧会が4月9日から4月11日まで深センで開催されました。5G、人工知能、モノのインターネットなどの新興電子情報産業において、半導体材料が重要な役割を果たしていることは周知の事実です。その中に、ガリウムヒ素と呼ばれる半導体材料があります。これを使って作られた電池は、より強力で幅広い用途に使用できます。

私たちがよく知っている太陽電池の最も重要な指標の一つは光電変換効率です。ゴビ砂漠に敷設された太陽電池は主にシリコン製で、光電変換効率は通常20％程度です。しかし、中国の宇宙ステーションで使用されている太陽電池の変換効率は最大32％です。これらはガリウムヒ素太陽電池です。

驚くべき変換効率と驚くべき価格をもたらします。では、ガリウムヒ素電池は将来安くなるのでしょうか?この質問に答える前に、まずこのバッテリーの核となる利点を理解しましょう。

非常に薄く作れる

太陽光の 95% を吸収するには、シリコンは 150 ミクロン以上の厚さが必要ですが、ガリウムヒ素の場合は 5 ～ 10 ミクロンしか必要ありません。

ガリウムヒ素製の太陽電池の利点は、重量を大幅に軽減できることであり、これはまさに宇宙打ち上げに好まれる点です。

最も低コストの再利用可能なSpaceXのFalcon 9ロケットでさえ、ペイロード1キログラムあたりの打ち上げコストは約2万元かかるが、他の再使用不可能なロケットでは、ペイロード1キログラムあたりの打ち上げコストはさらに高くなる。

宇宙打ち上げのコスト削減に役立つことに加え、宇宙環境にも有益なガリウムヒ素のもう一つの利点は、その超強力な放射線耐性です。

宇宙空間におけるあらゆる放射線は非常に強力であり、放射線耐性の点では、ガリウムヒ素はシリコン太陽電池よりもはるかに強力です。

高い理論変換効率

「中国工程院コンサルティング研究プロジェクト」の公開文書によると、単接合および多接合ガリウムヒ素太陽電池の理論効率はそれぞれ27％と50％であり、シリコン材料セルの効率をはるかに上回っています。

中国太陽光発電産業協会が発表した中国太陽光発電産業発展ロードマップ（2022-2023）のスクリーンショット

上のスクリーンショットは、3接合GaAs小型セルの現在の平均変換効率が約37％であり、2030年までに変換率が40％以上に増加すると予想されていることを示しています。

光電変換率が高く、地上用途の場合、同じ面積でより多くの電気を生成できることが主な利点です。しかし、航空宇宙用途の場合、付随的な利点は数え切れないほどあります。

中国の宇宙ステーション「天河コアモジュール」の両翼に設置されたガリウムヒ素三接合電池。画像はWikipediaより、著者：Shujianyang。

同じ量の電気を生成するために、シリコン電池を使用すると、天河コアモジュールの2つの翼の面積が大幅に増加します。問題は、打ち上げコストが増加することです。同時に、巨大な2つの翼は、設計やメンテナンスなど一連の困難ももたらすでしょう。

ハイエンドからローエンドまで

ガリウムヒ素電池の大きな利点と高価格により、その用途はハイエンドからローエンドまでしか広がりません。例えば：

1965年11月16日、ソビエト連邦は金星の表面を探査するためにビーナス3号を打ち上げました。 2平方メートルの太陽電池を2つ使用しました。これは宇宙でガリウムヒ素太陽電池が使用された初めての事例である。 1966年3月1日、ベネラ3号が金星に墜落し、他の惑星の表面に衝突した最初の人工物となった。

オポチュニティ火星探査車、画像はWikipediaより。

スピリット火星探査車。画像提供：NASA。

中国の火星探査車「珠栄」と着陸船が火星の表面で撮影された。写真は探査車から公開された取り外し可能なカメラで撮影された。画像はWikipediaより。

火星探査では、米国の「オポチュニティ」と「スピリット」、そして中国の火星探査車「珠容」もガリウムヒ素電池を使用していた。

金星や火星の探査に加え、中国の月面探査車「玉兔」などの月探査機でもガリウムヒ素太陽電池が使用されている。

さらに、ハッブル宇宙望遠鏡、中国の宇宙ステーション、そして多くの衛星も、宇宙で電力を得る主な手段としてガリウムヒ素太陽電池を使用しています。

月面上の中国の月面探査車「玉兔」。画像はWikipediaより。

ハッブル宇宙望遠鏡、NASA提供の画像。

中国の宇宙ステーション、画像はWikipediaより

宇宙での応用について話した後、近宇宙での利用について見てみましょう。

近宇宙は、近距離宇宙とも呼ばれ、通常の航空機の飛行空間と宇宙船の軌道空間の間の領域を指します。一般的には地上から20キロメートルから100キロメートルの範囲の空間として定義されます。

現在、大型の太陽光発電ドローンは近宇宙で長期間飛行することができ、最長連続飛行時間は2か月に達します。

Zephyr ドローン、画像は Wikipedia より。

外国の大型太陽光発電無人機「ゼファー」は最大飛行高度23.2キロに達し、すでに宇宙空間に近いところまで到達している。 2022年、ゼファー無人航空機は初めて2か月以上の連続飛行記録を達成しました。

地上用途では、ガリウムヒ素太陽電池は主にいくつかの新しく開発された高級ソーラーカーに使用されています。一部の情報によると、遠隔地の山岳地帯にあるレーダー基地やマイクロ波通信基地でも、電力供給のためにこのタイプのバッテリーが部分的に使用されているとのことです。

単結びと多重結びとは何ですか?

前述のように、ガリウムヒ素セルは単接合型と多接合型に分けられます。では、シングルジャンクションとマルチジャンクションとは具体的に何を意味するのでしょうか?

プリズムは白色光をさまざまな色の光に分散させます。画像はWikipediaより。

ご存知のように、ニュートンはスペクトルを赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫の 7 つの色に分けました。これらを思い出すと、太陽電池における単接合と多接合が簡単に理解できます。

つまり、太陽電池のどの接合部もすべての色の光を吸収できるわけではありません。 1 つの色にのみ焦点を合わせることができます。赤橙色の光を最もよく吸収するか、黄緑​​色の光を最もよく吸収するか、青藍色の光を最もよく吸収します。

しかし、太陽電池を三重接合などの複数の接合にすると、各接合の吸収焦点が異なるため、三重接合太陽電池は太陽光のさまざまな波長の光の吸収を最大化できます。

1接合から2接合、さらに3接合へと、これが太陽電池の光電変換効率を継続的に向上させる中核的な手段です。

将来的には安くなるのでしょうか？

ガリウムヒ素は光電変換効率が圧倒的に優れており、現在は主にハイエンドの用途で使用されています。それで、将来的にはもっと安くなる可能性はありますか？

この質問に答えるには、まずガリウムヒ素がなぜ高価なのかを理解する必要があります。

もし価格が高い理由が、例えば世界で生産できるガリウムの量がせいぜい1,000トン程度であるなど、その物質が極めて希少であるからであるならば、基本的に望みはない。この 1,000 トンのガリウムは、少数の高級用途にのみ使用できます。

しかし、そうではありません。

米国地質調査所は、既知のボーキサイトと亜鉛鉱石の埋蔵量には100万トン以上のガリウムが含まれていると推定している。

ボーキサイトをアルミナに加工する過程で、ガリウムが水酸化ナトリウム溶液に蓄積され、さまざまな方法で抽出することができます。これがガリウム金属の主な供給源です。

人類がガリウムを必要とするかどうかは別として、アルミニウムは間違いなく必要であり、毎年膨大な量のアルミニウムが生産されています。アルミニウムを得る過程で、ガリウムが副産物として生じます。

つまり、ガリウムの生産量は少なく、金属価格が高くなっているものの、極端に不足しているわけではない。

そうでなければ、低価格帯の製品にガリウムヒ素が使われることはなくなるでしょう。

ガリウムヒ素に光が当たると、電流が発生します。逆に、ガリウムヒ素に逆方向に電流を流すと光を発します。これが発光ダイオードです。

家庭で使われる LED 電球は発光ダイオードの一種で、そのほとんどはガリウムヒ素を使用しています。

家庭の天井によく使われる LED ライト。画像は Wikipedia より。

現状では、ガリウムヒ素の 80% 以上が主にチップ、LED 照明、LED ディスプレイに使用されています。太陽電池の製造に使用されるのは 2% 未満です。

したがって、GaAs 太陽電池のコストが高いのは、ガリウム材料によるところが一部に過ぎず、大部分は製造プロセスによるものです。

ガリウムヒ素太陽電池の製造技術、特に三接合ガリウムヒ素セルは、物理設計、プロセス実装、装置、およびテストを統合した総合的な技術です。

高額な費用は主に準備に反映されるため、前回の記事で提起された質問に自信を持って答えることができます。

ガリウムヒ素太陽電池の価格は将来必ず安くなるでしょう。どれくらい安くなるかは予測が難しいですが、今よりは確実に安くなるでしょう。

さまざまな製造技術が絶えず向上しているからです。

著者：科学技術省の「国家優秀科学普及作品賞」受賞者であり、人気科学ライターのハンム・ディアオメン氏

査読者：陳昌水、華南師範大学情報・光電子学院研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版有限公司、中国科学技術出版（北京）デジタルメディア有限公司