硫化亜鉛（ZnS）はエネルギー産業においてどのような用途に用いられていますか？

正午に太陽光発電所に立ち、パネルが太陽光を吸収して何マイルも離れた家に電力を供給しているのを眺めたり、交流をデバイスに必要な安全で安定した電流に変換するコンパクトなスマートフォンの充電器を手にしたことがあれば、あなたは静かな主力製品である硫化亜鉛 (ZnS) に依存するエネルギー技術に遭遇していることになります。長年の ZnS サプライヤーとして、私はエンジニア、研究者、プロジェクト マネージャーに、かつては主に昔ながらの蓄光塗料での使用で知られていたこの化合物が、世界のエネルギー分野全体で交渉の余地のない材料となった理由を正確に理解するために何年も費やしてきました。ほとんどの人は ZnS をエネルギーと関連付けませんが、その光学的、電気的、化学的特性の独特な組み合わせにより、先進的なソーラー パネルから次世代バッテリー システムに至るまで、あらゆるものにとってかけがえのないものとなっています。

まず、世界のエネルギー産業で最も急速に成長している分野であり、ZnS が最大の影響を与えている分野の 1 つである太陽エネルギーから始めましょう。従来の結晶シリコンソーラーパネルは数十年にわたって市場を独占してきましたが、数年前に効率の限界に達しました。太陽光が当たると使用可能な電力に変換できるのは約25～27％だけで、特にシリコンが吸収できない目に見えない紫外（UV）や近赤外（NIR）波長のエネルギーが大量に残ります。そこで、ZnS が高度な太陽電池設計、特に薄膜太陽光発電 (PV) とペロブスカイト太陽電池の主要なコンポーネントとして登場します。この 2 つの技術は効率を 30% を超えて押し上げ、化石燃料と競争するためにコストを削減しています。

薄膜太陽電池では、ZnS はバッファ層として機能します。バッファ層は、光を吸収する活性層 (テルル化カドミウム (CdTe) など) とデバイスの前面電極の間にある薄い透明な膜です。バッファ層の役割は、重大な欠陥、つまり光吸収層と電極の間の鋭いエネルギー境界を修正することです。バッファ層がなければ電子を捕捉し、電気を生成するために電子が流出するのを防ぎます。 ZnS はバンドギャップが広いため、これに最適です。つまり、CdTe のエネルギー レベルと完全に一致して電子トラップ障壁を排除しながら、ほぼすべての可視光と紫外太陽光を活性層に通過させます。国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) の研究では、硫化カドミウム (CdS) などの古い材料の代わりに ZnS バッファ層を使用すると、薄膜 CdTe 太陽電池の効率が最大 2% 向上することが示されており、太陽電池パネルの 25 年の耐用年数にわたって 1 パーセントポイントごとに数百万ドルの収益が増加する業界にとっては大きな利益となります。

さらに興味深いのは、新たなペロブスカイト太陽電池における ZnS の役割です。ペロブスカイト太陽電池はシリコンよりも軽量で柔軟性があり、製造コストが安いため、ポータブル充電器、建物に組み込まれた PV、および宇宙用途に最適です。ペロブスカイトセルは、特に安定性に関して効率面での独自の課題を抱えていますが、ZnS は電子輸送層 (ETL) と保護封止材の両方として機能します。 ETLとして、ペロブスカイト層によって生成された電子を外部回路に効率的に往復させますが、その高い屈折率により、セルの表面で反射してしまう光を活性層に導くことで、より多くの太陽光を取り込むことができます。 SpaceX や Blue Origin などの企業が開発している、太陽光発電を無線で地球に送信する宇宙太陽光発電では、ZnS は太陽電池パネルを宇宙放射線や地球低軌道での極端な温度変動から守る透明な保護コーティングとして不可欠です。これらのコーティングは、耐久性、耐紫外線性、および高い透明性を備えている必要があり、ZnS はすべての特性を他のほとんどの材料より優れています。太陽光発電製造に携わる者にとって、これらの用途に適した ZnS のグレードは交渉の余地のないものです。そのため、[会社名] のチームは光学グレードの ZnS の厳格な品質管理を維持しています。詳細については、光学コーティング硫化亜鉛の製品ページをご覧ください。

ZnS は太陽光発電を超えて、エネルギー貯蔵におけるゲームチェンジャーであり、エネルギー転換のもう一つの勝敗を決めるセグメントです。世界が化石燃料から風力や太陽光に移行する中、太陽が照らず、風が吹いていないときに需要と供給を一致させるために、数時間ではなく数日または数週間エネルギーを蓄えることができる信頼性の高い大容量バッテリーが必要です。ここで、電極材料と固体電解質の両方として機能する ZnS の能力により、今日の電話や電気自動車に電力を供給するリチウムイオン電池を超えて、次世代電池化学の新たな可能性が開かれました。

最も有望なものの1つは亜鉛空気電池であり、空気中から豊富で低コストの亜鉛と酸素を使用するため、グリッド規模のエネルギー貯蔵としてすでにテストされており、リチウムイオン（火災の危険性の問題がある）よりもはるかに安価で安全です。亜鉛空気電池では、ZnS は、酸素を引き込んで亜鉛と反応させる電池の部分である空気極で起こる酸素の還元および発生反応に対する安定した触媒として機能します。古い空気亜鉛電池設計の欠点は、カソード触媒が急速に劣化し、わずか数百回の充電サイクルで効率が低下することでした。 ZnS は、ほとんどの空気亜鉛電池で使用されるアルカリ電解液中で化学的に安定しており、その多孔質構造により酸素反応が起こるための大きな表面積を提供するため、この問題を解決します。 Journal of Power Sources に掲載された 2022 年の研究では、ZnS 触媒を使用した空気亜鉛電池は、従来の酸化マンガン触媒を使用したものよりも 3 倍長いサイクル寿命を持つことが判明しました。これは、グリッド規模の亜鉛空気貯蔵を商業的に実現可能にする画期的な成果です。

従来のリチウムイオンよりも高いエネルギー密度と低い火災リスクを実現するために開発されている全固体リチウムイオン電池にとって、ZnSは固体電解質層の重要な材料です。固体電解質は、今日のバッテリーで使用されている可燃性の液体電解質に取って代わるものであり、ZnS の高いイオン伝導性、つまりリチウムイオンを容易に通過させることができ、その機械的強度と組み合わせることで、この役割に最適です。他の固体電解質材料とは異なり、ZnS は、研究者がリチウムイオン電池のエネルギー密度を 2 倍にするために使用しているリチウム金属アノードとも互換性があります。これにより、電気自動車は 1 回の充電で 250 マイルではなく 500 マイル走行できるようになります。サプライヤーとして、当社はいくつかの電池研究開発チームと協力して、固体電解質のニーズに合わせたカスタム ZnS 組成を開発しており、当社の高性能プラスチック硫化亜鉛ラインは、これらの高安定性エネルギー貯蔵用途に適応されています。

ZnS はまた、高電圧変圧器からソーラー パネルからの DC 電力を家庭用の AC 電力に変換するインバーターに至るまで、電力網全体に電力を制御および配電するシステムであるパワー エレクトロニクスでも舞台裏の役割を果たしています。送電網は私たちのエネルギー システムのバックボーンであり、再生可能エネルギーとの統合が進むにつれて、変動する電力の流れ、高電圧、異常気象条件に対処する必要があります。 ZnSは、送電線とグリッド構造の間の電気の漏洩を防ぐ高電圧絶縁体のコーティングに使用されています。 ZnS は絶縁強度が高く、非常に高い電圧にも破壊することなく耐えることができ、加えて紫外線や水に対する耐性も備えているため、過酷な環境で 30 年以上持続する必要がある屋外絶縁体に最適です。国際エネルギー機関 (IEA) の 2021 年の報告書では、従来の磁器碍子を ZnS コーティングされた碍子に置き換えることで、落雷による送電網の故障が 40% 減少し、特に嵐が頻繁に発生する地域において送電網の信頼性が大幅に向上すると述べています。

あまり議論されていないもう 1 つの用途は、集光型太陽光発電 (CSP) です。これは、ミラーを使用して太陽光を集光し、流体を加熱してタービン用の蒸気を生成する技術であり、従来の発電所に似ていますが、太陽によって電力を供給します。 CSP には PV に比べて大きな利点があります。溶融塩に熱を何時間も蓄えることができるため、日没後に発電できるのです。 ZnS は CSP プラントのミラーと受光器の光学コーティングに使用されており、反射率を 95% 以上に高めます (コーティングされていない銀ミラーの場合は 90%)。反射率が 5% 増加すると、より多くの熱が発生するため、より多くの電力が供給され、運用コストが削減されます。カリフォルニアにある世界最大級の Ivanpah CSP 工場では、2014 年の立ち上げ以来、ZnS でコーティングされたミラーが使用されており、オペレーターによると、砂漠の太陽や塵に何年もさらされた後でもコーティングは反射率を維持していると報告されています。

私は 10 年以上、エネルギー関連のクライアントと仕事をしてきましたが、最もよく受ける質問の 1 つは、「なぜ他の同様の材料ではなく ZnS を使うのですか?」というものです。その答えは、他の単一素材にはない特性のユニークな組み合わせにあります。半導体には適していますが、光学用途には不透明すぎるシリコンとは異なり、ZnS は可視光から赤外までの幅広い波長にわたって透明度が高く、太陽電池やコーティングに最適です。ガリウムヒ素などの他の半導体材料とは異なり、ZnS ははるかに豊富で低コストであるため、手頃な価格が必要な大規模エネルギー用途には不可欠です。また、過酷な電解質で劣化する金属酸化物とは異なり、ZnS の化学的安定性により、数十年持続する必要があるバッテリーやグリッドのコンポーネントにとって信頼できる選択肢となります。

もちろん、他の材料と同様に、ZnS もエネルギー業界の特定のニーズを満たすために長年にわたって大きく進化してきました。初期の ZnS は塗料やサイリウムに使用される低純度の化合物でしたが、今日のエネルギーグレードの ZnS は 99.99% の純度になるように精密加工されており、各用途に合わせて粒子サイズ、結晶構造、表面化学が制御されています。私たちのチームは、これらのプロセスの改良に多額の投資を行っており、研究者と緊密に連携してペロブスカイトタンデム太陽電池や次世代フロー電池などの新興技術に ZnS 組成を適応させています。たとえば、当社は最近、ペロブスカイトセルの界面抵抗を低減する特殊な ZnS バリアントを開発し、その効率を 32% を超えて押し上げるのに役立ち、大規模なシリコンとの競合に近づくマイルストーンとなります。

エネルギー業界がネットゼロエミッションへの移行を続ける中、ZnS のような高性能でコスト効率の高い材料の需要は高まる一方です。国際エネルギー機関は、世界の太陽光発電容量が 2030 年までに 3 倍になり、エネルギー貯蔵容量が 10 倍に増加すると予測しています。これは、複数のセグメントにわたって ZnS の需要が大幅に増加することを意味します。興味深いのは、ZnS が依然としてイノベーションを推進していることです。昨年、MIT のチームは、太陽光を利用して水を水素燃料に分解する新しい ZnS ベースの光触媒を開発しました。これは、輸送および産業用のクリーンで持続可能な燃料を作成するための重要なステップです。それがエネルギーの未来であり、ZnS はまさにその中心にあります。

あなたが太陽電池の設計に取り組んでいるエンジニア、次世代蓄電システムをテストしているバッテリー開発者、または信頼性の向上を目指している送電網運営者であれば、適切な材料がプロジェクトの成否を分けることをご存知でしょう。 [会社名] では、ZnS を供給するだけではなく、クライアントと提携して、特定のエネルギー用途に合わせてカスタマイズされた配合、技術サポート、および一貫した高品質の製品を提供します。ソーラーコーティング用の光学グレードのZnSが必要な場合でも、バッテリーコンポーネント用の高安定性ZnSが必要な場合でも、当社にはお客様のニーズを満たす専門知識があります。当社はいつでも喜んでプロジェクトの要件について話し合い、ZnS のパフォーマンスに関する質問に答え、テスト用のサンプル材料を提供します。当社の製品ラインについて詳しく知りたい場合は、お気軽に当社チームにお問い合わせください。

参考文献

1. 国立再生可能エネルギー研究所。 （2020年）。高効率CdTe薄膜太陽電池用のバッファ層材料。 NREL/TP-5K00-76542。
2. 電源ジャーナル。 （2022年）。空気亜鉛電池の正極: サイクル寿命を延長するための硫化亜鉛触媒の役割。 531巻、231345。
3. 国際エネルギー機関。 （2021年）。再生可能エネルギー システムにおけるグリッドの信頼性: 高度な絶縁体コーティングの影響。 IEA グリッド統合タスクフォースのレポート。
4. イヴァンパ・ソーラー運営会社。 （2015年）。性能レポート: ZnS コーティングされたミラーの砂漠環境での反射率と耐久性。
5. MIT化学科。 （2023年）。太陽光発電による水分解用のZnSベースの光触媒。アメリカ化学会誌、第 145 巻、第 12 号、6892-6901 ページ。