なぜオハイオ州がテルル化カドミウム太陽光発電でリードしているのか

オハイオ州にルーツを持つ、かつては斬新だった太陽光発電技術が、トレド地域のメーカー 2 社とともに太陽の光を浴びています。

科学者たちは1950年代から研究室でテルル化カドミウム太陽電池パネルの実験を行ってきたが、この技術は、後にファースト・ソーラーとなる会社を設立したオハイオ州の2人の起業家による重要な基礎研究を経て、わずか20年前に商業化された。

安価でより効率的な結晶シリコン太陽電池に次ぐニッチ市場を目指して何年も争ってきたが、最近テルル化カドミウムがコストとエネルギー出力の差を埋めた。 テルル化カドミウムパネルは、より厚い硬質結晶シリコンと比較して、非常に薄い半導体材料の層を使用する薄膜太陽電池技術の中で、世界最大の市場シェアを保持しています。

この分野は、技術の進歩に加えて、進行中のサプライチェーン政策と、国内製造を奨励する新しい連邦気候変動法案の恩恵を受ける態勢が整っています。

こうした傾向がオハイオ州の太陽光発電製造ブームに拍車をかけており、太陽光発電施設に対する敵対的な州や地方の政策にも関わらず、カドミウムテルル化物メーカー２社が、今後数年間で数百人の雇用を増やすと約束する大規模な事業拡大を発表した。

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ファースト・ソーラーは、今年後半にオハイオ州レイク・タウンシップに3番目の工場を開設する予定だ。 この 3.3 ギガワットの発電所に続いて、ペリズバーグに 130 万平方フィートの研究開発施設が建設され、来年開設される予定です。 計画では、2025年にアラバマ州に4番目の米国工場が開設され、同社の米国総生産能力は約10GWとなる。

一方、トレド・ソーラーは主に商用および住宅ユーザーにパネルを供給しており、今年生産能力を100メガワットから300メガワットに3倍に拡大している。 同社は公共事業規模の市場をターゲットとするファースト・ソーラーよりもはるかに小さいが、「それはわれわれにとって大きなことだ」と最高経営責任者（CEO）のアーロン・ベイツ氏は語った。

ファースト・ソーラーの最高製造責任者、クンタル・クマール・ヴェルマ氏は、「ガラス産業と深いつながりを持つトレド地域は、当社事業の初期には自然の孵化場だった」と語った。 20年以上が経ち、オハイオ州北西部には「おそらく世界のどこにも類を見ない薄膜太陽電池製造の知識が蓄積されている」。

オハイオ州におけるテルル化カドミウム太陽光発電部門の起源は、ガラス業界の 2 人のスーパーヒーローから始まります。

ハロルド・マクマスターはオハイオ州北西部で農場少年として育ち、ノーマン・ニッチェは少年時代を東トレドで過ごしました。 2 人は、ギザギザの破片にならないように車のフロントガラスに使用される強化ガラスの製造と使用の先駆者です。 彼らは、Glasstech を含むいくつかの企業の共同創設者になりました。

その後、マクマスター氏とニチケ氏は、Glasstech Solar を通じて太陽エネルギーの研究を開始しました。 この研究が Solar Cells, Inc. の設立につながりました。マクマスター氏のリーダーシップの下、同社は 1997 年にテルル化カドミウム太陽電池の基本的な蒸着プロセスを開発しました。

このプロセスでは、高温ガスを使用してテルル化カドミウムの層を結晶化し、その厚さは人間の髪の毛の約 3% です。 その層、ガラス、その他の材料がソーラーパネルの「サンドイッチ」を構成します。 世界中で使用されている太陽電池パネルの大半を占める結晶シリコンパネルよりも生産に時間がかかりません。

同社の支配権をアリゾナに本拠を置く投資会社に売却した後、Solar Cells, Inc. は 1999 年に First Solar となり、ペリズバーグに最初の製造工場を開設しました。

しかし、セルの効率が競争力を発揮できるほど改善されるまでには何年もかかりました。 2016 年、First Solar は実験室で 22% のエネルギー変換効率を達成しました。 企業の科学者による 2019 年の研究と国立再生可能エネルギー研究所の研究は、その研究をさらに洗練させ、効率を低下させる可能性のある不安定性のリスクを軽減しました。

トレド・ソーラーは、ファースト・ソーラーと近隣の大学によって構築された知識ベースを活用できるよう、2019年の設立時にトレド地域を選択した。 別の場所から始めれば「大変な努力が必要で、非常に費用がかかるだろう」とベイツ氏は語った。

現在、テルル化カドミウム太陽光発電は実証済みの技術であり、結晶シリコンと競合できると国立再生可能エネルギー研究所の科学者ロレル・マンスフィールド氏は述べた。 「それは現場にあり、実用規模です。実際に存在しており、うまく機能しています」と彼女は言いました。

米国先進カドミウムテルル化太陽光発電コンソーシアム（US-MAC）によると、テルル化カドミウム部門は現在、米国の電力会社規模市場の約40％、世界市場の約5％を供給している。 メンバーには、さまざまな企業、大学、国立再生可能エネルギー研究所が含まれます。

1月に発表されたグローバル・マーケット・エスティメーツのレポートでは、エネルギー転換が続く中、世界のテルル化カドミウム市場は2023年から2028年にかけて年平均12.5％で成長すると予測した。

ファースト・ソーラーとトレド・ソーラーは互いに競合していないが、世界市場で両社と他のテルル化カドミウム企業は結晶シリコンと競合している。

2020 年後半までに、First Solar は商用モジュールの平均効率が 18% であると報告しました。 これはエネルギー省が結晶系ソーラーパネルについて報告している18％から22％の範囲の下限にあたります。

しかし、テルル化カドミウムは「暑い気候では最大 4% 多くのエネルギーを供給でき、高湿度ではさらに最大 4% 多くのエネルギーを供給できる」とヴェルマ氏は述べています。 カドミウムテルル化パネルの理論効率もさらに高く、30% 以上です。 それは半導体層がより広範囲の光エネルギーに反応できるからだとベイツ氏は述べた。

また、テルル化カドミウムパネルは、必要な材料、エネルギー、水の量が少ないため、生産コストの削減にもつながります。 NRELの研究では、結晶質太陽光発電よりも炭素集約度が低いことが昨年確認されました。

マンスフィールド氏は、テルル化カドミウム部門が現時点でさらに大きな利点を持っていると指摘し、「それは米国製の薄膜技術だ」と述べた。

「これには多くの利点があります」とグリーン・エナジー・オハイオ社のエグゼクティブ・ディレクター、ジェーン・ハーフ氏は語った。 これらの企業は、海外のサプライチェーンの中断に対して脆弱ではありません。

新型コロナウイルス感染症のパンデミック以前から、結晶シリコン分野の米国企業は、自社が使用する半導体の製造における中国の世界的支配により、サプライチェーンの問題に直面していた。 同国の反ダンピング規則違反により、トランプ政権時代に制限関税が発動された。 ブレークスルー研究所なども中国が強制労働やその他の不当労働行為を行っていると批判している。

昨年6月、ジョー・バイデン大統領は、マレーシア、カンボジア、タイ、ベトナムから輸入される太陽電池モジュールとセルに対する一部の輸入関税を24か月間免除すると発表した。 目標は、結晶シリコン半導体の国内生産が増加するまで米国の太陽光発電市場に供給することであった。

商務省が12月に発表した暫定調査結果では、東南アジア4カ国すべてで貿易制限を回避していることが判明した。 基本的に、企業は中国製品をわずかな追加加工を加えて米国に出荷していました。 これは、2022年の連邦CHIPS法が半導体の国内生産増加を目的としているものの、結晶シリコン分野の輸入が2024年6月以降さらに困難になる可能性があることを示唆している。

ベイツ氏によると、現時点では完全国内生産ということは、トレド・ソーラーが屋上太陽光発電市場でインフレ抑制法に基づく40％全額の税額控除の対象となる唯一の企業であることを意味するという。

カドミウムテルル化セクターは、潜在的なサプライチェーンの問題から免れないわけではありません。 しかし、マンスフィールド氏は、パネルごとに必要な半導体材料の量は少量であると述べた。 そして、原料を精製するより良い方法があれば、その供給を最大化できるだろうと彼女は付け加えた。

「私たちは基本的に、鉱山廃棄物の流れからカドミウムとテルルという2つの副産物を取り出し、それらを安定した化合物に結合させています」とヴェルマ氏は語った。 耐用年数が終了すると、モジュールの材料の 90% 以上を回収できます。

ファースト・ソーラーは、オハイオ州の既存施設での1,600人の雇用に加え、レイク・タウンシップ工場で700人の雇用が創出されると期待している。 計画では、この研究開発施設によりさらに 200 人の雇用が創出される予定です。 トレド・ソーラーは、2027年までに250人以上の新たな雇用を創出すると予想している。

両社の成長は他の企業もオハイオ州に誘致する。 NSGピルキントンは2020年にラッキーに新しいフロートガラスラインを開設し、約150人の新規雇用を創出した

そしてアイス・インダストリーズは昨年、ソーラーパネル用の鋼製バックレールを製造するためにボーリンググリーンに15万平方フィートの工場を建設し、約120人の新たな雇用を創出すると発表した。

US-MAC コンソーシアムは、進行中の課題に対処したいと考えています。 マンスフィールド氏は、テルル化カドミウムパネルの効率を理論上の限界まで改善する余地はまだたくさんあると述べた。 パネルの他の要素も同様に強化できます。

国内の半導体生産の増加やその他の進歩により、この分野は結晶シリコン市場とのさらなる競争に直面する可能性がある。 他の薄膜技術も競合となる可能性があります。 マンスフィールド氏によると、研究者らは、さまざまな帯域幅のエネルギーに応答する、積層された半導体層を備えた太陽電池の開発にも取り組んでいるという。

さらに、表面に印刷または塗装できるペロブスカイト太陽電池もあります。 サイエンス誌に掲載された2月16日の研究では、DPPPと呼ばれる化合物を少し添加したペロブスカイト太陽電池は、研究期間が終了するまでの2か月間にわたって23％の効率を維持したと報告した。

多くの課題は残っているものの、「ペロブスカイト太陽電池は数年以内に市場に投入され始めるかもしれない」と研究共著者であるトレド大学のヤンファ・ヤン氏は述べた。

政治はまた、オハイオ州におけるテルル化カドミウム部門の将来の成長がどの程度とどまるかに影響を与える可能性がある。

太陽エネルギーは「依然として政治問題だ。そして私にとって、そうあるべきではない」とベイツ氏は語った。 「それは経済問題です。」 同氏の見解では、州の政策立案者は太陽光パネル製造におけるオハイオ州の指導的役割を評価し、支援すべきだという。

「ここは西半球の太陽光発電の中心です」とベイツ氏は語った。

Kathi は 25 冊の本と 600 以上の記事の著者であり、科学と政策の問題について頻繁に執筆しています。 ジャーナリズムのキャリアに加えて、キャシーはハーバード大学ロースクールの卒業生であり、15 年間法律実務に従事してきました。 彼女は環境ジャーナリスト協会および全米サイエンスライター協会の会員です。 キャシーはオハイオ州を担当しています。