AIは電力を消費するだけでなく、自ら電力を生成し始めている：ペロブスカイト、AIデバイスをバッテリーから解放する方法
- 5月20日
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μWからmWまでの実際のデータにより、ペロブスカイトAIが実用化されるための重要な転換点が明らかになる
人工知能がクラウドから工場や建物、都市の現場へと進出するにつれて、装置の数が急速に増加し、電力供給の問題が顕在化してきました。温湿度センサーや装置の監視ノードに至るまで、AIは単なる計算処理の問題ではなく、エネルギーの問題でもあります。何千もの装置が同時に動作すると、バッテリーの交換やメンテナンスにかかるコストが急激に増大し、導入規模が制限されてしまいます。
このような産業の背景のもとで、弱い光の状態でも発電が可能であるペロブスカイト太陽電池は、AIの分野における新たなエネルギー源として注目されています。従来の太陽電池が屋外の強い光に依存しているのに対し、ペロブスカイト太陽電池は室内の光でも動作するため、自家発電型のAIデバイスを実現するための技術として期待されています。
工場とIoTの現場：バッテリーが最大の隠れたコストとなっている
実際の利用において、ほとんどのIoTデバイスの消費電力は大幅に削減されています。公開されているデータによると、一般的な環境センサーの消費電力は約 10～100μWです。一方、低周波で動作するエッジAIモジュールの消費電力は、100μWから数 mWの範囲です（これは低消費電力設計において一般的な数値です）。つまり、純粋な消費電力の観点から見ると、AIデバイスは既にマイクロパワー時代に入っていると言えます。しかし、電源供給方法は依然としてバッテリーが主流であり、これが大きな課題となっています。デバイスの数が一定の規模に達すると、バッテリーの交換やメンテナンスにかかるコスト、そしてシステムの停止リスクが、AIシステムの導入を妨げる要因となります。
ペロブスカイトを利用した屋内発電の能力：IoTによる電力供給のハードルを既に超えている
室内の光源条件下（約 1000ルクス）での研究によると、チタン酸カルシウムを利用した太陽光発電では、約 0.02～0.1 mW/cm²の出力密度が得られることがわかりました（Wiley Energy & Environmental Materials、Scilightの研究による）。約 10 cm²のセルを使用した場合、約 0.2～1 mWの電力が得られ、これでほとんどの低消費電力のIoTデバイスの動作に十分です。
より小さなサイズのデバイス（約 0.1～1 cm²）についても、数μWから数十μW 程度の電力を供給することができます（タンペレ大学の室内光に関する研究による）。この技術は、BLEビーコンや各種センサーシステムに応用できます。これにより、チタン酸カルシウムの発電能力が、IoTデバイスの消費電力の要求に十分対応できることがわかります。
室内での効率性においては、チタン酸カルシウムの方がシリコン結晶よりも明らかに優れています。
室内環境下では、チタン酸カルシウムを用いた太陽光発電の変換効率は、約 20～30％に達します（RSCやScilightの研究による）。これに対し、従来のシリコン太陽電池の変換効率は、通常 10～15％程度です。このような差異は、チタン酸カルシウムという材料が、そのエネルギーギャップを調整できるという特性によるものです。この特性により、チタン酸カルシウムは室内の光源（400～700nmの波長範囲）をより効率的に吸収することができるのです。そのため、低照度の状態でも高い変換効率を維持することができるのです。
バッテリー不要のAIデバイスの実測結果：わずかμWの電力で無線伝送が可能
研究によると、チタン酸カルシウムを用いたモジュールを使えば、約 10～20マイクロワットの電力を供給するだけで、無線温度センサーを動作させ、数メートル離れた場所までデータを送信することができる（間欠的なデータ送信やエネルギー貯蔵装置を併用することで）（arXiv IoT 実験）。
また、500～1000ルクスの室内照明条件下では、このシステムは、資産の追跡や環境監視といった用途において、安定して機能することが確認されています（室内 IoTに関する研究）。これらの事例から、自己供給型のIoTシステムが、実験室段階から実用化の段階へと移行していることがわかります。
建築分野での応用：エネルギーを消費する存在から、エネルギーを節約する要素へと変わる
建築分野において、チタン酸カルシウム技術は、外壁や窓に応用することができ、建築物一体型太陽光発電システム（BIPV）を構築するのに利用できます。この材料は半透明であり、自由にデザインすることができるため、建築物の外観を損なうことなく、発電機能を提供することができます。
BIPVシステムとAIによるエネルギー管理を組み合わせることで、データ分析によって電力の利用方法を最適化することができます。例えば、照度や利用状況に応じてエネルギーを配分することで、建物を単なる電力消費者ではなく、エネルギーの生産や調整を行う拠点に変えることができます。
安定性の現状：室内での利用には、すでに十分な条件が整っています。
長期にわたるテストの結果、ペロブスカイトは室内環境下では約 70 日から500 日間機能し続けることがわかりました（実験室での条件です）（Perovskite-info）。室内環境では、紫外線や湿度の影響が少ないため、ペロブスカイトの安定性は比較的高くなります。
したがって、室内でのAIやIoTの応用は、ペロブスカイトが持つ商業化の潜在力を最も発揮できる分野と見なされています。
重要な結論：AIによる競争は、エネルギー供給能力の分野にまで及んでいる。
現在公開されているデータや実際の測定結果から、以下のことが確認できます：
ペロブスカイトは、μWからmWレベルの電力を供給することができます。
大多数のIoTデバイスや低消費電力のAIデバイスを動作させるのに十分です。
室内での効率は、シリコン技術よりも大幅に優れています。
自家発電システムは、実際の運用が可能な状態になっています。
これは、AI 産業が新たな段階に入っていることを意味しています。競争はもはや、計算能力やアルゴリズムに限られるものではなく、エネルギー供給の仕方にまで及んでいます。AIデバイスが自律的に電力を供給できるようになると、全体のアプリケーション構造も変化していくでしょう。
この変化の中で、チタン酸カルシウムは、単なる新しい太陽エネルギー材料としてだけでなく、AI 時代における重要なエネルギー源としても徐々にその役割を果たすようになっています。
参考資料
【第 6 回台湾ペロブスカイト技術及び応用フォーラム】
開催日：115 年 07 月 24 日（金） 09:30～17:30（09:00より入場可）
場所：中央研究院南部院区 国際会議廳（台南市歸仁区歸仁十三路一段 100 番地）
フォーラムの特徴：4つの主要なテーマに沿ったセッション、3つのテーマ別イベント、17 件の専門的な講演が行われます。国内外の専門家が一同に集まり、知見を共有します。
主催者：台湾ペロブスカイト研究開発・産業連盟、中央研究院重点課題研究センター
協力企業：台湾鈣鈦礦科技、SEMI 国際半導体産業協会、群創光電、国立成功大学光電科学と工学部
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