シリコン太陽電池、衛星電力コストを最大90%削減可能

シリコン太陽電池を衛星に採用すれば、発電コストを最大90％削減でき、同時に太陽電池パネルの重量も半減させられる可能性が、サリー大学の研究によって示された。宇宙産業における太陽電池の材料選択が大きく転換しようとしている。

現在の衛星用太陽電池は、ガリウム・インジウム・ゲルマニウムから成る三接合電池が業界標準だ。1977年にシリコンから置き換わって以来、半世紀近く支配的な地位を保ってきた。しかし地上での太陽光発電の急速な進化がシリコン技術を大きく改善した。シリコンヘテロ接合電池の効率は27.8％に達し、ペロブスカイト/シリコンタンデム電池は34.85％を記録している。決定的なのはコストである。三接合電池が1ワット当たり250～450ドルであるのに対し、シリコンは数十セント。2025年11月時点で、主要なシリコン型（PERC、TOPCon、ヘテロ接合）は1ワット0.275～0.39ドルだ。原材料費も大きく異なり、シリコンは数ドル/kg、ガリウムとゲルマニウムは数千ドル/kgに及ぶ。3U立方体衛星とマイクロサテライトで試算した結果、保護用ガラスを含めたシステム全体のコスト削減率は85～90％に達した。

実務的には、シリコン太陽電池の比出力が重要だ。同じ発電量を得るなら、三接合電池（455～505 W/kg）に対してシリコンヘテロ接合は約2倍の920～1000 W/kgを実現する。つまり同じ出力であれば、太陽電池の質量を半分に削減できる。面積当たりの出力は約28％低いが、追加の支持構造を含めてもシリコンが経済的に優位である。一方、課題も明らかになった。シリコンは放射線耐性が三接合より約2.6倍低く、5年の軌道運用後の性能維持でも劣ることが予想される。興味深い発見は、実際のコスト削減の中心がセルそのものではなく、それを保護するスペース適格ガラス（カバーグラス）にあるということだ。セルの放射線耐性が向上すれば、より薄いガラスと基板で済み、コストと重量を同時に削減できる。この気づきは、材料特性の競争から、工学的に既知の解決法で対処できる課題へと問題を再定義した。

衛星打ち上げ数は2010年の約120機から2024年には2800機以上へと急増している。平均的な衛星は約1キロワットの発電を必要とし、軌道上で太陽光を集めて地上にマイクロ波で送電する宇宙太陽光発電ステーションなどを見据えると、数km規模のギガワット級出力が想定される。その規模に対応するには、シリコンは唯一の現実的な選択肢だ。業界の専門メーカーの生産能力では三接合電池の全量でさえまかなえない需要に直面する一方、シリコンは地上の太陽光発電産業ですでに大規模生産インフラが完備されている。残る技術課題は放射線耐性と紫外線耐性である。宇宙空間の真空紫外線に対する劣化は、これまで十分に検討されてこなかった。表面改質やリチウムドーピングなど、1960年代に報告された古い手法を再検討する価値も指摘されている。

シリコン太陽電池への転換は、衛星製造の低コスト化と軽量化をもたらし、打ち上げコストの削減につながる。それは大規模なスペースプレイヤーだけでなく、中小国、大学、スタートアップの宇宙アクセスも広げるだろう。日本の部品・素材・装置メーカーにとって、シリコンセルの放射線耐性・UV耐性向上、カバーグラスの薄型化と軽量化、低コスト化した支持構造の開発は、新たなサプライチェーン構築の重要な機会になると考えられる。地上の太陽光発電産業で蓄積された知見と製造能力が、宇宙用途で求められる条件に適応する過程において、多くの付加価値を生む可能性がある。

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