宇宙におけるペロブスカイトに関するMartin Greenのチーム：20%の損失
目次
簡単な回答： マーティン・グリーン氏のグループによる研究は、宇宙におけるペロブスカイト太陽電池に関する一般的な想定を再考させるものです。宇宙用太陽光発電で最も頻繁に挙げられる障害は宇宙放射線ですが、ここでの測定結果は代わりに温度サイクルを示しています。軌道上のペロブスカイトセルは約80 °Cのピークから−80 °Cまで変動し、この材料は放射線環境ほどにはその範囲に耐えられません。NOAA-21の衛星データは、短い時間枠内で約6.77 °Cおよび16 °Cの変動を含む温度変化を記録しており、この分析ではこれらを1.89 °Cおよび1.67 °C付近の放射冷却の数値と対比しています。実用的な結論は、ペロブスカイトの宇宙開発はまず熱安定性を目指すべきだということです。地上での製造においても、同じ脆弱性が、ペロブスカイトタンデムセルのラミネーションと封止材の許容範囲をシリコンよりも厳しくしている要因です。
PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著
はじめに
驚くべき事実：ペロブスカイトの「宇宙の夢」にとって最大の障害は宇宙放射線ではない。衛星が1日に地球を15回周回する際に耐える数十度の温度変動である。これは結晶シリコンモジュールがTC試験で直面する変動とほぼ同じである。
数日前、衛星電源システムを担当する友人が私に尋ねた：「あなたたち太陽光発電関係者はペロブスカイトがどれほど効率的かと言い続けているが、小型衛星に使えるのか？軽くて電力密度が高いのだが。」
私は言った：「効率を急いで見るな。衛星が軌道上で1日に何回の熱衝撃を受けるか知っているか？」
彼は言った：「昼は暑くて夜は寒いだけではないのか？」
「そうだが、-80°Cから+80°Cまでどれだけ速く加熱されるか知っているか？」
彼は考えて：「1分間に数度か？」
「実測データ：毎分6.77°C。一部の研究所では、宇宙環境を模擬するために毎分16°Cまで直接上げている。」
彼は一瞬止まった：「ペロブスカイトはそれに耐えられるのか？」
「耐えられない。まさにこれを研究したNature姉妹誌の真新しい論文がある。」
この論文（Energy & Environmental Science、DOI:10.1039/d5ee03704b）は、UNSW、韓国のKRICT、英国のUniversity of Surreyの共同研究である。彼らは実際の衛星データを用いて試験基準を定義し、その後ペロブスカイトを-80°Cから+80°Cの熱衝撃チャンバーに入れて100サイクル行い、何が生き残るかを調べた。
これを平易な太陽光発電の言葉で説明しよう。
宇宙における熱衝撃は想像以上に過酷である
低軌道（LEO、高度200-2000 km）では、衛星は1日に約15回地球を周回する。各周回で太陽光から地球の影、そして再び太陽光への切り替えを経験する。
このプロセスはどれほど速いのか？
図2cを見よ：NOAA-21衛星の実測データ — 影から太陽光に入ると、加熱速度は毎分6.77°C。太陽光から影に入ると、冷却速度はより緩やかで約毎分1.89°C（熱は放射によって放散され、それが遅いため）。
この速度は、地上レベルのIEC 61215規格で要求される1.67°C/minの4倍の速さです。
衛星表面温度範囲は-90°C～+80°Cで測定されています（図1b）。ECSS（欧州宇宙標準化協力機構）の認定範囲はさらに広く、-175°C～+125°Cです。
そこで本論文では、以下の加速試験条件を定義しました（図2d）：
温度範囲：-80°C ↔ +80°C
昇温速度：16°C/min
サイクル数：100
16°C/minはNOAA-21で測定された速度の2.4倍です。これはもはや「シミュレーション」ではなく、より過酷な条件を用いて材料の弱点を迅速に露呈させる加速劣化試験です。
熱衝撃下でペロブスカイトに何が起こるか
彼らが使用した材料はFAPbI₃で、入手可能な最高効率の単接合ペロブスカイト系の一つです（実験室効率>27%）。しかしFAPbI₃には致命的な弱点があります。室温で準安定であり、α相（黒色、高活性）からδ相（黄色、不活性）へ容易に転移します。
α相を安定化させるために、通常は少量のMAPbBr₃が添加されます。本論文では5つの濃度を試験しました：0%、1%、3%、5%、7%です。
分子動力学シミュレーションを見てください（図3a）：FAPbI₃を-80°Cから80°Cに加熱すると、格子定数が増大し、PbI₆八面体が傾き始め、FAイオンの変位が激しくなります。構造が「震えて」います。
次に、100回の熱衝撃サイクル後のXRDを見てください（図3c-d）：
| MAPbBr₃濃度 | 0% | 1% | 3% | 5% | 7% |
|---|---|---|---|---|---|
| 熱衝撃後の変化 | 大量のδ相が出現 | 安定 | 安定 | 安定 | PbI₂が増加 |
結論：少量（1～5%）の添加はα相を安定化させるが、過剰（7%）に添加するとPbI₂が析出し、実際にはより悪化する。
次に、表面電位を測定するKPFM（ケルビンプローブフォース顕微鏡）を見てください（図4）：
1%試料：熱衝撃後、粒間の電位差が増大し、粒界が再結合中心になることを示す
5%試料：熱衝撃後、電位分布がより均一で、損傷が小さい
本論文ではSPV（表面光起電力）を用いてこれを定量化しています。SPVが高いほど、光生成キャリアがより良く分離されます。5%試料のSPVは1%試料の約1.5倍です。
セル化後、どれだけ残るか
彼らは完全なセル構造を構築した：ITO/SnO₂/ペロブスカイト/PEAI/PTAA/Au、真空封止し、熱衝撃チャンバーに投入した。
結果（図5b）：
| MAPbBr₃濃度 | 1% | 5% |
|---|---|---|
| 熱衝撃後の効率保持率 | ~62% | ~80% |
5%サンプルは、-80°C ↔ +80°Cの熱衝撃を100サイクル耐えた後も、効率の約80%を保持していた。
J-V曲線を見てみよう（図5c-d）：
1%サンプル：JscとFFが大きく低下
5%サンプル：曲線形状がはるかによく保たれている
EQE（図5e-f）がそれを裏付ける：1%サンプルは全帯域で低下する一方、5%サンプルは長波長領域（700-800nm）でのみわずかに低下する — おそらく界面の熱膨張ミスマッチによるものだ。
高度35 kmではどのように性能を発揮するか
実験室での試験の後、彼らは実際の環境を必要とした。イタリアのピサ大学と協力し、高高度気球でセルを高度35 kmまで打ち上げた（図6a）。
この高度では、大気圧は地上のわずか2%、空気密度は1.5%、温度は-40°Cに達することがあり、セルは準宇宙空間のUV放射とAM0スペクトルにさらされる。
結果（図6f）：
1%サンプル：高度が上がるにつれてPCEが徐々に低下
5%サンプル：高度が上がるにつれてPCEが実際に上昇
なぜ5%サンプルは高高度でより良い性能を発揮するのか？高度が上がると放射照度が増加し、Jscは線形に増加するはずだ。しかし1%サンプルのJsc増加傾きはわずか0.00016であるのに対し、5%サンプルは0.00364 — 一桁の差がある。
これは1%サンプルが深刻な非放射再結合に陥っていることを示している — 光生成キャリアは現れる前に粒界欠陥に飲み込まれてしまう。KPFM SPVデータはすでにこの結果を予兆していた。
生産ラインエンジニアへの教訓
効率だけを見るな — どれだけ耐えられるかを見よ
この論文は堅牢な試験フレームワークを提供している：16°C/minの急速熱衝撃で加速劣化試験を行い、次に高高度気球で準宇宙空間の検証を行う。
我々は衛星を作っているわけではないが、このアプローチは応用できる — 新材料や新プロセスを評価する際には、より速い温度昇降速度で「ストレステスト」を行い、界面や粒界の問題を早期に露呈させることを検討すべきだ。
安定化手法が新たな問題を引き起こす可能性がある
FAPbI₃にMAPbBr₃を添加するとα相が安定化する。しかし、添加量が多すぎる（7%）とPbI₂が析出し、事態が悪化する。
これは次と同じロジックです 封止材 フィルム選定 — 万能なレシピはなく、「バランスポイント」だけが存在します。選定する際は、「あるかどうか」だけを見るのではなく、「どれだけあるか」を見なければなりません。
実験室データと高高度データが一致する
この論文の最も堅実な部分は、KPFMで測定されたSPV差がJsc傾斜差を予測でき、長波長でのEQE低下が界面の熱膨張ミスマッチに対応していることです。
優れた故障解析は、実験室のツールを使って現場での性能を事前に予測できるようにするべきです。
結晶シリコンの安定性は最大の堀である
この論文の試験条件を見てください：-80°Cから+80°C、100サイクル、16°C/min。
これはまだECSS規格には達していませんが、結晶シリコンにとってはすでに日常的です。-40°Cから+85°CでのTC200（200熱サイクル）試験では、結晶シリコンは劣化が2%を超えると不合格となります。
ペロブスカイトが結晶シリコンを置き換えるには、効率で追いつくだけでは不十分です。同じ試験規格の下で25年間耐えなければなりません。
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参考情報
タイトル：宇宙対応ペロブスカイト太陽電池に向けて：熱衝撃耐性と近宇宙気球試験のためのガイドライン
年：2026
DOI: 10.1039/d5ee03704b
Ooitechの見解
Ooitechはこう考えます：ペロブスカイトの宇宙への道は効率の追求ではなく、過酷な熱衝撃サイクルに耐えることにかかっています。そして、その耐久性こそが、効率そのものではなく、太陽電池の真の価値を測る尺度なのです。
