太陽電池（PVセル）は、光起電力効果を利用して光のエネルギーを直接電気に変換する電子デバイスです。 [ 1 ]太陽電池は光電セルの一種であり、光にさらされると電流、電圧、抵抗などの電気特性が変化するデバイスです。個々の太陽電池デバイスは、しばしば「ソーラーパネル」と呼ばれる太陽光発電モジュールの電気的構成要素となります。市販されているPVセルのほぼすべては結晶シリコンで構成されており、市場シェアは95%です。残りはテルル化カドミウム薄膜太陽電池です。 [2]一般的な単接合シリコン太陽電池は、最大開放電圧約0.5～0.6ボルトを生成できます。[3]

太陽電池は太陽光または人工光の下で動作します。太陽光発電に加えて、光検出器（例えば赤外線検出器）として、可視光線領域に近い光やその他の電磁放射を検出したり、光の強度を測定したりするために使用できます。

PV セルの動作には、次の 3 つの基本属性が必要です。

太陽電池の出力に影響を与える入力要因は、温度、材料特性、気象条件、太陽放射照度など複数あります。[4]

同様のタイプの「光電解セル」（光電気化学セル）は、デバイスを指すことができる。

直接電力を出力するのとは対照的に、太陽熱集熱器は 太陽光を吸収して、

  • 「太陽熱モジュール」または「太陽熱温水パネル」としての直接熱
  • 発電においてタービンを回転させるために利用される間接的な熱。

太陽電池アレイは、太陽光から利用可能な量の直流電流（DC）を生成する太陽電池モジュールの製造に使用されます。太陽電池モジュールをストリング状に並べることで太陽電池アレイが形成され、太陽エネルギーを利用して太陽光発電を行います。多くの場合、インバーターによって太陽光電力が交流電流（AC）に変換されます。

アプリケーション

車両用途

GM（ゼネラルモーターズ）が開発したサンレイサー車両

太陽エネルギーまたは太陽光で動く電気自動車は、一般的にソーラーカーと呼ばれています。[5]これらの車両は、ソーラーパネルを使用して吸収した光を電気エネルギーに変換し、電動モーターで使用し、余剰エネルギーはバッテリーに蓄えられます。[6]ソーラー車のバッテリーは、車両の電気部品に長時間電力を供給するように設計されているため、標準的な内燃機関車の始動用バッテリーとは異なります。 [7]

太陽光発電セルが車両に初めて搭載されたのは、1900年代後半の中頃でした。太陽光発電による交通手段の認知度向上を目指し、ハンス・ソルストルップは1987年に第1回ワールド・ソーラー・チャレンジを開催しました。[8]これは、オーストラリアの奥地を3000km走るレースで、産業界の研究グループや世界中の一流大学から参加者が集まりました。最終的に、ゼネラルモーターズが時速40マイル（約64キロ）を超える速度を記録したサンレイサーで、他を圧倒して優勝しました。一般に信じられていることとは異なり、太陽光発電自動車は最も古い代替エネルギー自動車の一つです。[9]

セル、モジュール、パネル、システム

太陽電池から太陽光発電システムへ。太陽光発電システムの構成要素の図
英国ワーシングのグリーンキャップ・エナジーの屋上ソーラーパネル

複数の太陽電池セルを一体化させ、同一平面上に配置することで、太陽光発電パネルまたはモジュールが構成されます。太陽光発電モジュールは、太陽光に面した側にガラス板を備えていることが多く、半導体ウェハを保護しながら光を透過させます。太陽電池セルを直列に接続すると電圧が上昇し、並列に接続すると電流が上昇します。

バイパスダイオードやシャントダイオードのない並列セルが影に当たると、弱い（光が少ない）並列ストリング（各ストリングは直列接続された多数のセル）がシャットダウンし、影に当たったセルに光が当たることによって逆バイアスがかかり、大きな電力損失と損傷を引き起こす可能性があります。[10]

太陽光モジュールを相互接続することで、所望のピークDC電圧と負荷電流容量を持つアレイを構成できます。この機能は、MPPT（最大電力点追従装置）やモジュールレベルパワーエレクトロニクス（MLPE）ユニット、マイクロインバータ、 DC-DCオプティマイザーなど、所望の電圧と電流を生成するだけでなく、他の様々な太陽光発電デバイスと組み合わせて使用​​することでも実現できます。

複数の太陽電池を同一平面上に集積することで、太陽光発電（PV）パネルまたはモジュールが構成されます。これらのモジュールは通常、太陽光に面した側にガラス板を備えており、太陽光を透過させながら半導体ウェハを環境要因から保護します。太陽電池を直列に接続すると電圧出力が増加し、並列接続すると電流出力が増加します。[11]

太陽光発電モジュールには、影になったセルを分離し、ストリング全体の性能への影響を防ぐバイパスダイオードが搭載されていることがよくあります。これらのダイオードは、影になったセルや性能が低下したセルを電流がバイパスできるようにすることで、電力損失を最小限に抑え、損傷のリスクを軽減します。[12]

2020年までに、米国の公益事業規模のシステムのワットあたりのコストは0.94ドルに低下しました。[15]

空間

NASAは当初から宇宙船に太陽電池を採用していました。2番目の成功した衛星ヴァンガード1号（1958年）には、宇宙で初めて太陽電池が搭載されました。

太陽電池が初めて重要な用途に使用されたのは、 1958年にヴァンガード衛星に搭載され、主電池の代替電源として提案された時でした。宇宙船の機体外側に太陽電池を追加することで、宇宙船やその電力システムに大きな変更を加えることなく、ミッション時間を延長することができました。1959年、アメリカ合衆国はエクスプローラー6号を打ち上げました。この太陽電池アレイは、後に衛星の標準機能となる大型の翼型太陽電池アレイを搭載していました。このアレイは、9600個のホフマン太陽電池で構成されていました。

1960年代までに、太陽電池は（現在もなお）地球を周回するほとんどの衛星や太陽系探査機の主力電源となりました。これは、太陽電池が最も優れた電力対重量比を提供したためです。宇宙太陽光発電市場の成功は、他の電源選択肢が限られていたことと、可能な限り最高のセルを求める声から、太陽電池の高効率化を推進しました。そして、国立科学財団の「国家ニーズへの研究応用」プログラムが地上用途向け太陽電池の開発を推進し始めたのです。

1990年代初頭、宇宙用太陽電池の技術は地上パネルで使用されていたシリコン技術から分岐し、宇宙船への応用はガリウムヒ素ベースのIII-V族半導体材料へと移行しました。この材料はその後、軽量、コンパクト、フレキシブル、高効率を特徴とする最新のIII-V族多接合型太陽電池へと進化し、宇宙船に搭載されています。衛星に搭載されている最先端技術では、太陽エネルギーのより広いスペクトルを利用するために、異なるバンドギャップを持つ異なるp-n接合で構成された多接合型太陽電池が使用されています。宇宙用太陽電池は、地上パネルで使用されていた保護層からも分岐し、宇宙用途ではフレキシブルなラミネート層が使用されています。

さらに、大型衛星は電力を生成するために大型の太陽電池アレイを必要とします。これらの太陽電池アレイは、衛星を搭載する打ち上げ機の幾何学的制約に合わせて分解し、軌道に投入される前に設置する必要があります。歴史的に、衛星の太陽電池は、複数の小さな地上パネルを折り畳んだ構造でした。これらの小さなパネルは、衛星が軌道上に展開された後、大きなパネルに展開されます。最近の衛星は、非常に軽量で非常に小さな容積に収納できる、フレキシブルで巻き取り可能な太陽電池アレイの使用を目指しています。これらのフレキシブルアレイのサイズと重量が小さいほど、ペイロード重量と打ち上げ機の打ち上げコストは直接的な関係にあるため、衛星の打ち上げコスト全体が大幅に削減されます。[16]

2020年、アメリカ海軍研究所は、ボーイングX-37に搭載された太陽光発電用無線周波数アンテナモジュール（PRAM）実験という、衛星内での太陽光発電の初の試験を実施した。[17] [18]

歴史

光起電力効果は、フランスの物理学者エドモン・ベクレルによって初めて実験的に実証されました。1839年、19歳の彼は父親の研究室で世界初の太陽電池を製作しました。ウィロビー・スミスは、1873年2月20日号のネイチャー誌で「電流通過中のセレンに対する光の影響」について初めて記述しました。1883年、チャールズ・フリッツは半導体セレンを薄い金の層でコーティングして接合部を形成することで、世界初の固体太陽電池を製作しました。この装置の効率はわずか1%程度でした。[19]その他の画期的な出来事としては、以下のものがあります。

1960年代以降の製造方法の改善

価格と効率の改善は1960年代を通じて徐々に進みました。コストが高止まりした理由の一つは、スペース利用者が可能な限り最高のセルにお金を払う意思があり、より低コストで効率の低いソリューションに投資する理由がなかったことです。また、価格は主に半導体産業によって決定されていました。1960年代に半導体産業が集積回路に移行したことで、より大きなブールが比較的低価格で入手できるようになりました。ブールの価格が下がると、結果として得られるセルの価格も下がりました。これらの影響により、1971年のセルのコストはワットあたり約10万ドルまで低下しました。[30]

1969年後半、エリオット・バーマンは30年先のプロジェクトを探していたエクソンのタスクフォースに加わり、1973年4月に当時エクソンの完全子会社であったソーラーパワーコーポレーション（SPC）を設立した。 [31] [32] [33]このグループは、2000年までに電力価格が大幅に上昇すると結論付け、価格上昇によって代替エネルギー源の魅力が高まると考えた。彼は市場調査を行い、ワット当たり約20ドルの価格であれば大きな需要が生まれると結論付けた。[31]コスト削減のため、チームは

  • 荒削りのウェーハ表面を使用することで、ウェーハを研磨して反射防止層でコーティングする手順が不要になりました。
  • 宇宙用途で使われる高価な材料と手配線を、背面にプリント基板、前面にアクリル樹脂、そしてその間にシリコン接着剤を挟んでセルを「ポッティング」する方法に置き換えた。[34]
  • 電子機器市場から廃棄される材料を利用して製造できる中古太陽電池。

1973年までに彼らは製品を発表し、SPCはタイドランドシグナル社を説得して、当初は米国沿岸警備隊向けの航行ブイに電力を供給するためにそのパネルを使用させました。 [32]

1970年代以降の研究と産業生産

地上利用のための太陽光発電の研究は、1969年から1977年まで実施された米国国立科学財団の「国家ニーズへの応用研究」プログラムにおける先進太陽エネルギー研究開発部門によって顕著となり、[35]地上電力システム用太陽光発電の開発研究に資金提供しました。1973年の「チェリーヒル会議」では、この目標を達成するために必要な技術目標が提示され、それらを達成するための野心的なプロジェクトの概要が示され、数十年にわたって継続される応用研究プログラムの幕開けとなりました。[36]このプログラムは最終的にエネルギー研究開発局（ERDA）に引き継がれ、[37]後に米国エネルギー省に統合されました。

1973年の石油危機後、石油会社は利益の増加を太陽光発電会社設立（または買収）に充て、数十年にわたり最大の生産者となりました。エクソン、ARCO、シェル、アモコ（後にBPに買収）、モービルはいずれも1970年代から1980年代にかけて大規模な太陽光発電部門を有していました。ゼネラル・エレクトリック、モトローラ、IBM、タイコ、RCAなどのテクノロジー企業も太陽光発電事業に参入しました。[38]

コストの低下と飛躍的な生産能力の増加

インフレ調整後、1970年代半ばの太陽電池モジュールのコストは1ワットあたり96ドルでした。プロセスの改善と生産量の大幅な増加により、この数字は99%以上低下し、2018年には1ワットあたり30セント [41] 、2020年には1ワットあたり20セントまで低下しました。 [42] スワンソンの法則は、ムーアの法則に似た観察結果で、太陽電池の価格は産業生産能力が倍増するごとに20%低下するというものです。この法則は、2012年末の英国の週刊紙エコノミストの記事で取り上げられました。[43]現在、 システム全体のコストは太陽光パネル単体よりも高くなっています。2018年には、商用アレイは完全稼働状態で1ワットあたり1ドル未満で建設可能でした。[15]

数十年にわたって、太陽電池とパネルのコストはさまざまな理由で低下してきました。

  1. より大きなブール。半導体業界がさらに大きなブールに移行すると、古い装置は安価になりました。
  2. 太陽電池セルの物理的なサイズが大型化。余剰の半導体製造装置が利用可能になるにつれて、サイズは大型化しました。ARCO Solarの初期のパネルは、直径2～4インチ（50～100 mm）のセルを使用していました。1990年代から2000年代初頭にかけてのパネルでは、一般的に125 mmのウェハが使用されていました。2008年以降、ほぼすべての新しいパネルは156 mmを超えるセルを使用し、[44] 2020年にはさらに大型の182 mmの「M10」セルを使用しています。[45]
  3. パネルを覆うための大型で高品質なガラス板が入手可能であること。1990年代後半から2000年代初頭にかけて薄型テレビが広く普及したことが、こうしたガラス板の入手を可能にしました。
  4. より薄い太陽電池。2004年から2008年にかけてのシリコン価格の高騰により、シリコン太陽電池メーカーはセルの薄型化によってシリコン消費量を削減するようになりました。IMECの有機・太陽光部門のディレクターであるジェフ・ポートマンズ氏によると、2008年のセルは1ワットの発電量あたり8 ～ 9グラム（0.28～0.32オンス）のシリコンを使用し、典型的なウェハの厚さは約200ミクロンでした。

1990年代には、ポリシリコン（「ポリ」）セルの人気が高まりました。これらのセルはモノシリコン（「モノ」）セルに比べて効率は劣りますが、大型の槽で製造されるためコストが低くなります。2000年代半ばには、ポリシリコンが低価格パネル市場で主流となりましたが、近年ではモノシリコンセルの効率向上により、再び広く使用されるようになりました。

結晶シリコンパネルは世界市場を席巻しており、主に中国と台湾で製造されています。2011年後半には、欧州での需要の落ち込みにより、結晶シリコン太陽電池モジュールの価格は1ワットあたり約1.09ドル[46]まで下落し、2010年から大幅に下落しました。価格は2012年も下落を続け、2012年第4四半期には1ワットあたり0.62ドルに達しました[47] 。

太陽光発電による電力はヨーロッパ全域で卸売電力コストと競争できるようになり、結晶シリコンモジュールのエネルギー回収期間は2020年までに0.5年未満に短縮されると予想されました。[48]

コストの低下は、再生可能エネルギーの急速な成長における最大の要因の1つと考えられています。2016年現在、太陽光発電はアジアで最も急速に成長しており、中国と日本は現在、世界全体の導入の半分を占めています。[49]太陽光発電のコストは、2010年（太陽光と風力発電が世界の発電量の1.7％を占めていた）と2021年（同8.7％を占めていた）の間に約85％低下しました。[50]世界のPV設置容量は2016年に少なくとも301ギガワットに達し、2016年までに世界の電力の1.3％を供給するまで成長しました。[51] 2019年には、太陽電池は720 Tw-hrで世界の発電量の約3％を占めました。[52]

補助金とグリッドパリティ

太陽光発電に特化した固定価格買い取り制度は、国によって、また国内でも様々である。このような制度は、太陽光発電プロジェクトの開発を促し、グリッドパリティの達成に寄与する。グリッドパリティとは、補助金なしで太陽光発電の電力がグリッド電力と同等かそれより安くなる水準であり、カリフォルニア州や日本など、太陽光が豊富で電気料金が高い地域で最初に達成されると予想されている。[53] 2007年にBPは、ハワイ島などディーゼル燃料を使用して発電している島々でグリッドパリティが達成されたと主張した。ジョージ・W・ブッシュ大統領は、米国におけるグリッドパリティの達成目標を2015年と設定した。[54] [55]太陽光発電協会は2012年に、オーストラリアが（固定価格買い取り制度を無視して）グリッドパリティに達したと報告した。[56]

太陽光パネルの価格は40年間着実に下落していたが、2004年にドイツにおける高額な補助金によって需要が急増し、精製シリコン（太陽光パネルだけでなくコンピューターチップにも使用される）の価格が大幅に上昇したため、下落が中断された。世界不況と中国での製造業の台頭により、価格は再び下落した。2008年1月以降の4年間で、ドイツにおける太陽光モジュールの価格はピークワットあたり3ユーロから1ユーロに下落した。同時期に生産能力は年間50%以上の成長率で急増した。中国は太陽光パネル生産市場シェアを2008年の8%から2010年第4四半期には55%以上に拡大した[57]。 2012年12月には、中国製太陽光パネルの価格は0.60ドル/Wp（結晶モジュール）まで下落した[58] 。 （略語Wpはワットピーク容量、つまり最適条件下での最大容量を表す[59]。）

2016年末時点で、組み立て済み太陽光パネル（セルではない）のスポット価格は、過去最低の0.36米ドル/Wpに下落したと報告されている。第2位の供給業者であるカナディアン・ソーラー社は、2016年第3四半期のコストが前四半期から0.02米ドル下落し、0.37米ドル/Wpとなったと報告しており、少なくとも損益分岐点に達していたとみられる。多くの生産者は、2017年末までにコストが0.30米ドル程度まで下がると予想していた。[60]また、世界の一部の地域では、新規太陽光発電設備の設置費用が石炭火力発電所よりも安価であり、10年以内に世界のほとんどの地域で同様の状況になると予想されている。[61]

理論

太陽電池による電荷収集の模式図。光は透明導電電極を通過し、電子・正孔対を生成し、両方の電極によって収集されます。[62]
太陽電池の動作メカニズム

太陽電池は、シリコンなどの半導体材料をp-n接合に加工して作られています。このような接合は、デバイスの片側をp型、もう片側をn型にドーピングすることで形成されます。例えばシリコンの場合は、それぞれ少量のホウ素またはリンを導入します。

太陽電池は、シリコン基板の「ドーピング」によって活性化エネルギーを低下させ、光子を取り出し可能な電子に変換する効率を高めます。[63]ホウ素（p型）などのドーピング化学物質を半導体結晶に添加することで、ドナーとアクセプターのエネルギー準位を価電子帯と伝導帯に大幅に近づけます。[64]このように、ホウ素不純物を添加することで、活性化エネルギーは1.12 eVから0.05 eVへと20倍減少します。電位差（E B）が非常に低いため、ホウ素は室温で熱電離することができます。これにより、伝導帯と価電子帯に自由エネルギーキャリアが生じ、光子から電子への変換効率が向上します。

動作中、太陽光に含まれる光子が太陽電池に当たり、半導体によって吸収されます。光子が吸収されると、電子が価電子帯から伝導帯へ（または有機太陽電池の場合は占有分子軌道から非占有分子軌道へ）励起され、電子正孔対が生成されます。電子正孔対が p 型材料と n 型材料の接合部付近で生成された場合、局所的な電界によってこれらの電子正孔対は反対の電極へと押し広げられ、一方の側に過剰な電子が生成され、もう一方の側に過剰な正孔が生成されます。太陽電池が接続されていない場合（または外部の電気負荷が非常に高い場合）、電子と正孔は電界に逆らって接合部全体に拡散し、互いに再結合して熱を放出することで、最終的に平衡を回復しますが、負荷が十分に小さい場合は、余分な電子が外部回路を回り、その途中で有用な働きをすることで、平衡が回復しやすくなります。

最も一般的に知られている太陽電池は、シリコン製の大面積p-n接合として構成されています。その他の太陽電池の種類としては、有機太陽電池、色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、量子ドット太陽電池などがあります。太陽電池の照射側には、光を活性物質に入射させ、発生した電荷キャリアを収集するための透明導電膜が一般的に設けられています。この目的で、インジウムスズ酸化物、導電性ポリマー、導電性ナノワイヤネットワークなど、透過率と電気伝導率の高い膜が一般的に用いられます。[62]

効率

太陽電池の理論上の最大効率に関するショックレー・クワイサー限界。バンドギャップが1～1.5eV（827nm～1240nm、近赤外線）の半導体は、効率的な単接合太陽電池を形成する上で最も大きな可能性を秘めています。（ここで示した効率の「限界」は、多接合太陽電池によって超えられる可能性があります。）

太陽電池の効率は、反射効率、熱力学的効率、電荷キャリア分離効率、伝導効率に分類できます。総合効率は、これらの個々の指標の積として表されます。

太陽電池の電力変換効率は、入射電力のうち電気に変換される割合によって定義されるパラメータである。[65]

太陽電池には、電圧に依存する効率曲線、温度係数、および許容される影の角度があります。

これらのパラメータを直接測定することは困難であるため、熱力学的効率、量子効率、積分量子効率、V OC比、フィルファクタといった他のパラメータが代用されます。反射損失は「外部量子効率」に含まれる量子効率の一部です。再結合損失は量子効率、V OC比、フィルファクタの別の部分を構成します。抵抗損失は主にフィルファクタに分類されますが、量子効率、V OC比にもわずかに含まれます。

フィルファクターとは、実際に得られる最大電力と開放電圧と短絡電流の積の比です。これは性能評価において重要なパラメータです。2009年当時、典型的な市販の太陽電池のフィルファクターは0.70を超えていました。グレードBのセルは通常0.4～0.7でした。[66]フィルファクターの高いセルは等価直列抵抗が低く、等価シャント抵抗が高いため、セルによって生成される電流が内部損失として消費される量が少なくなります。

単一のp-n接合結晶シリコンデバイスは、 1961年にショックレー・クワイサー限界として指摘された理論上の限界電力効率33.16%に近づいています[67]。極端な例では、層数が無限になった場合、集光された太陽光を使用した場合の限界は86%です[68] 。

太陽電池のエネルギー変換効率に関する研究の報告タイムライン（国立​​再生可能エネルギー研究所）

2014年、3社がシリコン太陽電池の変換効率25.6%という記録を破りました。最も効率が高かったのはパナソニックでした。同社はパネル前面の接点をパネルの背面に移動することで、影になる部分をなくしました。さらに、（高品質シリコン）ウェハの表裏に薄いシリコン膜を塗布することで、ウェハ表面またはその近傍の欠陥を排除しました。[69]

2015年に、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（Fraunhofer ISE）、 CEA-LETI、SOITECのフランスとドイツの共同研究により、4接合GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs太陽電池が実験室での新しい記録効率46.1%（太陽光集光率=312）を達成しました。[70]

2015年9月、フラウンホーファーISEは、エピタキシャルウェーハセルの効率が20%を超えたと発表した。大気圧化学気相成長（APCVD）インライン生産チェーンの最適化に関する研究は、フラウンホーファーISEからスピンオフし、生産の商業化を目指したNexWafe GmbHとの共同研究によって行われた。 [71] [72]

三接合薄膜太陽電池の世界記録は2015年6月に記録された13.6%である。[73]

2016年、フラウンホーファーISEの研究者らは、集光なしで30.2%の効率に達する2端子を備えたGaInP/GaAs/Si三接合太陽電池を発表しました。[74]

2017年、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）、EPFL（連邦工科大学ローザンヌ校） 、CSEM（スイス）の研究チームは、GaInP/GaAs二接合太陽電池デバイスにおいて、太陽エネルギー変換効率32.8%という記録的な数値を報告した。さらに、この二接合デバイスをSi太陽電池と機械的に積層することで、三接合太陽電池において太陽エネルギー変換効率35.9%という記録的な数値を達成した。[75]

材料

世界の太陽光発電市場シェア（技術別）1980～2021年[76] : 24, 25 

太陽電池は、通常、その構成材料である半導体材料にちなんで命名されます。これらの材料は、利用可能な太陽光スペクトルを最適に吸収するために様々な特性を持っています。地表に到達する太陽​​光を処理するように設計されたものもあれば、宇宙での使用に最適化されているものもあります。太陽電池は、光吸収材料の単層（単接合）で作られることもあれば、複数の物理的構成（多接合）を使用して、様々な吸収および電荷分離メカニズムを利用することもあります。

太陽電池は第一世代、第二世代、第三世代に分類できます。

  1. 第一世代のセルは、従来型セル、伝統的セル、またはウェーハベース セルとも呼ばれ、ポリシリコンや単結晶シリコンなどの材料を含む商業的に主流の PV 技術である結晶シリコンで作られています。
  2. 第 2 世代セルは薄膜太陽電池で、アモルファス シリコン、CdTe、CIGSセルなどがあり、公益規模の太陽光発電所、統合型太陽光発電システムの構築、または小規模の独立型電力システムで商業的に重要です。
  3. 第三世代太陽電池には、新興太陽光発電技術と呼ばれる薄膜技術が数多く含まれていますが、そのほとんどはまだ商業化されておらず、研究開発段階にあります。多くの技術では、無機物質だけでなく、有機金属化合物などの有機材料が使用されています。これらの技術は効率が低く、吸収材料の安定性が商業化には短すぎる場合が多いにもかかわらず、低コストで高効率の太陽電池を生産するという目標を達成できる可能性を秘めているため、研究が進められています。[77]

2016年現在、最も普及し効率的な太陽電池は、最も古い太陽電池技術でもある薄いシリコンウェハから作られたものでした。[78]

結晶シリコン

太陽電池のバルク材料として最も広く使用されているのは、結晶シリコン（c-Si）であり、「ソーラーグレードシリコン」とも呼ばれています。バルクシリコンは、インゴット、リボン、またはウェハーの結晶度と結晶サイズに応じて複数のカテゴリに分類されます。これらのセルは、 p-n接合の概念に基づいています。c-Si製の太陽電池は、厚さ160～240マイクロメートルのウェハーから製造されます。

単結晶シリコン

シオンのルーフ、ボンネット、外殻の大部分には、高効率の単結晶シリコンセルが装備されています。

単結晶シリコン（mono-Si）太陽電池は、多結晶構造よりも電子の移動が自由な単結晶構造を特徴としています。そのため、単結晶太陽電池パネルは多結晶構造の太陽電池パネルよりも高い効率を実現します。[79]セルの角は八角形のように切り取られていますが、これはウェハ材料が円筒形のインゴットから切り出されており、通常はチョクラルスキー法で製造されているためです。mono-Siセルを使用した太陽電池パネルは、小さな白いダイヤモンドのような特徴的な模様を呈します。

エピタキシャルシリコン開発

結晶シリコンのエピタキシャルウェーハは、化学気相成長法（CVD）によって単結晶シリコンの「シード」ウェーハ上に成長させ、その後、手で操作可能な標準的な厚さ（例えば250μm）の自立型ウェーハとして切り離し、単結晶シリコンインゴットから切り出されたウェーハセルと直接代替することができます。この「カーフレス」技術で製造された太陽電池は、ウェーハカットセルに近い効率を実現できますが、CVDを大気圧下で高スループットのインラインプロセスで実行できれば、大幅にコストを削減できます。 [71] [72]エピタキシャルウェーハの表面には、光吸収を高めるためのテクスチャ加工が施されることがあります。[80] [81]

2015年6月には、n型単結晶シリコンウェハ上にエピタキシャル成長させたヘテロ接合太陽電池が、総セル面積243.4cmで22.5%の効率に達したと報告された。[82]

多結晶シリコン

多結晶シリコン（Multi-Si）セルは、鋳造された四角いインゴット（溶融シリコンの大きな塊を慎重に冷却・固めたもの）から作られます。インゴットは小さな結晶で構成されており、独特の金属片のような効果を生み出します。ポリシリコンセルは太陽光発電で最も一般的なタイプで、単結晶シリコン製のセルに比べて安価ですが、効率は低くなります。

リボンシリコン

リボンシリコンは多結晶シリコンの一種で、溶融シリコンから平らな薄膜を延伸して形成され、多結晶構造を形成します。この方法ではインゴットからの切断が不要であるため、シリコン廃棄物が大幅に削減され、マルチシリコンよりも製造コストが安価になります。[83]しかし、効率は低くなります。

モノライクマルチシリコン（MLM）

この形態は2000年代に開発され、2009年頃に商業的に導入されました。キャストモノとも呼ばれるこの設計では、多結晶鋳造チャンバーにモノ材料の小さな「種」を投入します。その結果、外側が多結晶であるバルクのモノのような材料が得られます。加工のためにスライスすると、内側のセクションは高効率のモノのようなセル（ただし「切り取られた」のではなく四角形）となり、外側のエッジは従来のポリセルとして販売されます。この製造方法により、モノのようなセルがポリセルと同等の価格で提供されます。[84]

薄膜

薄膜技術は、セル内の活物質の量を削減します。ほとんどの設計では、活物質を2枚のガラス板で挟みます。シリコン太陽電池パネルは1枚のガラス板しか使用しないため、薄膜パネルは結晶シリコンパネルの約2倍の重量になりますが、環境への影響はより小さくなります（ライフサイクル分析による）。[85] [86]

テルル化カドミウム

テルル化カドミウムは、ワット当たりのコストにおいて結晶シリコンに匹敵する唯一の薄膜材料です。しかし、カドミウムは非常に毒性が強く、テルル（陰イオン：テルル化物）の供給量は限られています。セルに含まれるカドミウムは、放出された場合に有毒となります。しかし、セルの通常動作時には放出は不可能であり、住宅の屋根火災時にも放出される可能性は低いと考えられます。[87] CdTe 1平方メートルには、単セルのニッケルカドミウム電池1個分とほぼ同量のカドミウムが含まれていますが、より安定しており、溶解しにくい形態です。[87]

銅インジウムガリウムセレン

銅インジウムガリウムセレン（CIGS）は直接バンドギャップ材料です。商業的に重要な薄膜材料の中で最も高い効率（約20%）を誇ります（CIGS太陽電池を参照）。従来の製造方法では、共蒸着やスパッタリングなどの真空プロセスが用いられます。IBMとNanosolarの最近の開発では、非真空溶液プロセスを用いることでコスト削減が試みられています。[88]

シリコン薄膜

シリコン薄膜セルは、主にシランガスと水素ガスを用いた化学気相成長法（典型的にはプラズマCVD法、PE-CVD）によって堆積されます。堆積パラメータに応じて、アモルファスシリコン（a-Siまたはa-Si:H）、プロト結晶シリコン、またはナノ結晶シリコン（nc-Siまたはnc-Si:H）（微結晶シリコンとも呼ばれます）が生成されます。[89]

アモルファスシリコンは、現在最も発展した薄膜技術です。アモルファスシリコン（a-Si）太陽電池は、非結晶シリコンまたは微結晶シリコンで作られています。アモルファスシリコンのバンドギャップ（1.7 eV）は結晶シリコン（c-Si）のバンドギャップ（1.1 eV）よりも高く、太陽光スペクトルの可視光線部分を、より高出力密度の赤外線部分よりも強く吸収します。a-Si薄膜太陽電池の製造では、ガラスを基板として用い、プラズマ化学気相成長法（PECVD）によって非常に薄いシリコン層を堆積します。

ナノ結晶シリコンの体積分率が低いプロト結晶シリコンは、高い開放電圧を得るのに最適です。[90] nc-Siはc-Siとほぼ同じバンドギャップを持ち、nc-Siとa-Siは薄い層で組み合わせることができ、タンデムセルと呼ばれる層状セルを形成するのに有利です。a-Siの上部セルは可視光を吸収し、スペクトルの赤外領域はnc-Siの下部セルに残します。

ガリウムヒ素薄膜

半導体材料のガリウムヒ素（GaAs）は、単結晶薄膜太陽電池にも使用されています。GaAsセルは非常に高価ですが[91] 、単接合太陽電池の効率では28.8%という世界記録を保持しています。 [92]通常、結晶シリコンウェハー[93]上に製造され、充填率は41%ですが、多孔質シリコンに移行することで、充填率は56%まで増加し、コストを削減できる可能性があります。ナノワイヤを製造することで活性の低いGaAs材料を使用することも、コスト削減の潜在的な方法です。[94] GaAsは、集光型太陽光発電（CPV、HCPV）用の多接合型太陽光発電セルや、宇宙船の太陽電池パネルでより一般的に使用されています。これは、宇宙ベースの太陽光発電ではコストよりも効率が重視されるためです。

多接合セル

ドーンの10kW 三接合ガリウムヒ素太陽電池アレイが完全に展開した状態

多接合セルは複数の薄膜で構成され、各薄膜は基本的に太陽電池セルであり、通常は有機金属気相成長法を使用して他の薄膜の上に成長します。各層は異なるバンドギャップエネルギーを持ち、スペクトルの異なる部分で電磁放射を吸収できるようにします。多接合セルはもともと衛星や宇宙探査などの特殊な用途向けに開発されましたが、現在では地上集光型太陽光発電（CPV）でますます使用されています。これは、レンズと曲面ミラーを使用して太陽光を小型の高効率多接合太陽電池に集光する新興技術です。太陽光を最大1000倍集光できる高集光型太陽光発電（HCPV）は、将来的に従来の太陽光発電に取って代わる可能性があります。[95] : 21, 26 

モノリシック直列接続のガリウムインジウムリン（GaInP）、ガリウムヒ素（GaAs）、ゲルマニウム（Ge）p-n接合に基づくタンデム型太陽電池は、コスト圧力にもかかわらず、売上を伸ばしている。[96] 2006年12月から2007年12月の間に、4Nガリウム金属の価格は1kgあたり約350ドルから680ドルに上昇した。さらに、ゲルマニウム金属の価格も今年大幅に上昇し、1kgあたり1000～1200ドルとなった。これらの材料には、ガリウム（4N、6N、7N Ga）、ヒ素（4N、6N、7N）、ゲルマニウム、結晶成長用の熱分解窒化ホウ素（pBN）るつぼ、酸化ホウ素などがあり、これらの製品は基板製造業界全体にとって極めて重要である。[97]

例えば、三接合セルは、GaAs、Ge、GaInPなどの半導体から構成されます。
2[ 98]三接合GaAs太陽電池は、 2003年、2005年、2007年のワールドソーラーチャレンジで4度優勝したオランダのヌーナ、およびオランダのソーラーカーであるソルトラ（2005年）、トゥエンテワン（2007年） 、 21レボリューション（2009年）の電源として使用されました。[99] GaAsベースの多接合デバイスは、現在までに最も効率的な太陽電池です。2012年10月15日、三接合メタモルフィックセルは44％という記録的な高効率を達成しました。[100] 2022年、ドイツのフライブルクにあるフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所ISEの研究者は、4接合集光型太陽電池を使用して、太陽光の665倍の集光下で47.6％という太陽電池の記録的な効率を実証しました。[101] [102]

GaInP/Siデュアル接合太陽電池

2016年には、 III-V族多接合太陽電池の高効率性とシリコンの経済性および豊富な経験を組み合わせたハイブリッド太陽光発電ウェハーを製造するための新たなアプローチが発表されました。約30年にわたり研究されてきた、シリコン上にIII-V族材料を必要な高温で成長させる際の技術的な複雑さは、プラズマ強化化学気相成長法（PECVD）による低温でのGaAs上シリコンのエピタキシャル成長によって回避されます。[103]

Si 単接合太陽電池は数十年にわたって広く研究されており、1 太陽条件下で約 26% の実用的な効率に達しています。[104]この効率を上げるには、バンドギャップエネルギーが 1.1 eV を超えるセルを Si セルに追加して、短波長の光子を変換して追加の電圧を生成する必要がある場合があります。トップセルとしてバンドギャップが 1.6～1.8 eV の二接合太陽電池を使用すると、熱化損失が低減し、高い外部放射効率が得られ、理論上の効率は 45% を超えます。[105]タンデムセルは、GaInP セルと Si セルを成長させることで製造できます。これらを別々に成長させることで、Si と最も一般的な III-V 層との間の 4% の格子定数の不整合を克服でき、この不整合により 1 つのセルに直接統合することができません。そのため、2 つのセルは透明なガラススライドで分離され、格子不整合によってシステムに歪みが生じないようにしています。これにより、4 つの電気接点と 2 つの接合を持つセルが作成され、効率は 18.1% であることが実証されました。 充填率 (FF) が 76.2% の場合、Si ボトムセルはタンデムデバイスで 11.7% (± 0.4) の効率に達し、タンデムセルの累積効率は 29.8% になります。[106]この効率は、理論上の限界 29.4% [107]および Si 1 太陽太陽電池の記録的な実験的効率値を上回り、記録的な効率の 1 太陽 GaAs デバイスよりも高くなっています。 ただし、GaAs 基板の使用は高価で実用的ではありません。 そのため、研究者は GaAs 基板を必要としない、2 つの電気接点と 1 つの接合を持つセルの作成を試みています。 これは、GaInP と Si が直接統合されることを意味します。

太陽電池の研究

ペロブスカイト太陽電池

ペロブスカイト太陽電池は、活性層としてペロブスカイト構造の材料を含む太陽電池です。最も一般的には、溶液プロセスで製造される有機無機ハイブリッドのスズまたはハロゲン化鉛をベースとした材料です。効率は、2009年の初使用時には5%未満でしたが、2020年には25.5%にまで向上しており、非常に急速に進歩している技術であり、太陽電池分野におけるホットな話題となっています。[108]ロチェスター大学の研究者は2023年に、パーセル効果を利用することでセル効率をさらに大幅に向上させることができると報告しました。[109]

ペロブスカイト太陽電池は、スケールアップが極めて安価になると予測されており、商業化にとって非常に魅力的な選択肢となっている。現在までに、ほとんどの種類のペロブスカイト太陽電池は、商業化に十分な動作安定性を達成していないが、多くの研究グループが解決策を模索している。[110]ペロブスカイト太陽電池とタンデムペロブスカイトのエネルギーと環境の持続可能性は、その構造に依存することが示されている。[111] [112] [113]光制御のためのフォトニックフロントコンタクトは、広帯域吸収の強化によりペロブスカイトセルの性能を向上させると同時に、有害な高エネルギー（可視光線以上）放射線から保護することで動作安定性を向上させることができる。[114]最も効率的なペロブスカイト太陽電池に有毒元素である鉛が含まれていることは、商業化における潜在的な問題である。[115]

両面太陽電池

ノート（セネガル）の両面太陽電池工場、1988年 - アルベドを高めるために床が白く塗られている

両面太陽電池は裏面が透明なので、前面と裏面の両方から光を吸収できます。そのため、従来の片面太陽電池よりも多くの電気を生成できます。両面太陽電池の最初の特許は、1966年に日本の研究者である森博嗣によって申請されました。[116]その後、ロシアは1970年代に宇宙計画で初めて両面太陽電池を採用したと言われています。[要出典] 1976年、マドリード工科大学の太陽エネルギー研究所は、アントニオ・ルケ教授の主導で両面太陽電池の開発のための研究プログラムを開始しました。ルケによる1977年の米国とスペインの特許に基づいて、前面をアノード、背面をカソードとする実用的な両面セルが提案されました。以前に報告された提案や試みでは、両面がアノードであり、セル間の相互接続が複雑で高価でした。[117] [118] [119] 1980年、ルケチームの博士課程の学生だったアンドレス・クエバスは、白い​​背景を用意した場合、同一方向かつ傾斜した単面太陽電池に比べて両面太陽電池の出力が50％増加することを実験的に実証した。[120] 1981年、開発された両面セルを生産するためにマラガにイソフォトン社が設立され、このPVセル技術の最初の産業化となった。両面太陽電池の最初の生産能力は300kW/年で、イソフォトンの生産の初期のランドマークは、1986年にイベルドローラ向けに建設されたサン・アグスティン・デ・グアダリクスの20kWp発電所と、1988年までにスペインの国際援助および協力プログラムの資金提供を受けたノト・グイェ・ディアマ村（セネガル）の20kWpのオフグリッド施設であった。

製造コストの低下により、企業は2010年以降、商用両面発電モジュールの生産を再開しました。2017年までに、北米では少なくとも8社の認定PVメーカーが両面発電モジュールを提供しています。国際太陽光発電技術ロードマップ（ITRPV）は、両面発電技術の世界市場シェアが2016年の5%未満から2027年には30%に拡大すると予測しています。[121]

両面技術への関心が高いことから、最近の研究では世界中で両面ソーラーモジュールの性能と最適化が調査されている。[122] [123]結果によると、世界中で、地上設置型両面モジュールは、地表アルベド係数が 25% (コンクリートや植生のグランドカバーで一般的) の場合、単面モジュールと比較して年間の発電量の増加が約 10% にしかならない。しかし、モジュールを地表から 1 メートル上に持ち上げ、地表アルベド係数を 50% に高めることで、増加を約 30% に増やすことができる。Sunらは、両面ソーラーモジュールを解析的に最適化できる一連の経験式も導出している。[122]さらに、二軸トラッカー上の両面パネルは単面パネルよりも年間 14% 多くの電力を生成し、冬のピーク時には 40% 多くの電力を生成したため、積雪環境では両面パネルが従来のパネルよりも優れているという証拠がある。[124]

世界中の任意の場所における両面発電モジュールの性能をモデル化できるオンラインシミュレーションツールが利用可能です。また、傾斜角、方位角、地上からの標高に応じて両面発電モジュールを最適化することもできます。[125]

中級バンド

太陽電池研究における中間バンド太陽光発電は、セル効率におけるショックレー・クワイサー限界を超える方法を提供する。これは、価電子帯と伝導帯の間に中間バンド（IB）エネルギー準位を導入する。理論的には、IBの導入により、バンドギャップよりも低いエネルギーを持つ2つの光子が価電子帯から伝導帯へ電子を励起することができる。これにより誘起光電流が増加し、ひいては効率が向上する。[126]

ルケとマルティは、詳細なバランスを用いて、1つのミッドギャップエネルギー準位を持つIBデバイスの理論的限界を初めて導出した。彼らは、IBにキャリアが収集されず、デバイスが完全集中状態にあると仮定した。彼らは、バンドギャップが1.95eVで、IBが価電子帯または伝導帯から0.71eVずれている場合、IBの最大効率は63.2%であることを見出した。一方、1つの太陽照射下での限界効率は47%であった。[127]このような最適な3バンドギャップ構成を持つIB半導体を実現するために、材料工学（深準位不純物または高度に不整合な合金の制御された包含）とナノ構造化（ホストヘテロ結晶内の量子ドット）といったいくつかの方法が研究されている。[128]

液体インク

2014年、カリフォルニア・ナノシステムズ研究所の研究者たちは、ケステライトとペロブスカイトの使用により太陽電池の電力変換効率が向上することを発見した。 [129]

2022年12月、 MITの研究者らが超軽量ファブリック太陽電池を開発したと報じられました。この太陽電池は、従来のパネルの100分の1の重量でありながら、1キログラムあたりの発電量は18倍です。人間の髪の毛よりも薄いこの太陽電池は、ボートの帆、テント、防水シート、ドローンの翼など、様々な表面にラミネートすることで機能を拡張できます。研究者らは、インクベースの材料とスケーラブルな技術を用いて、太陽電池構造を印刷可能な電子インクでコーティングし、スクリーン印刷された電極でモジュールを完成させます。高強度の布地でテストされたこの太陽電池は、1キログラムあたり370ワットの発電量を示し、従来の太陽電池を凌駕する性能を示しています。[130]

アップコンバージョンとダウンコンバージョン

光子アップコンバージョンとは、2つの低エネルギー光子（例：赤外線）から1つの高エネルギー光子を生成するプロセスです。一方、ダウンコンバージョンとは、1つの高エネルギー光子（例：紫外線）から2つの低エネルギー光子を生成するプロセスです。どちらの技術も、太陽光をより効率的に利用することで、より高効率な太陽電池を製造できます。しかし、アップコンバージョンまたはダウンコンバージョンを示す既存の蛍光体の変換効率は低く、通常は狭帯域であることが問題となります。

アップコンバージョン技術の1つは、ランタニドドープ材料（Er3歳以上
、Yb3歳以上
、ホー3歳以上
あるいはその組み合わせ）は、その発光を利用して赤外線を可視光に変換します。アップコンバージョンプロセスは、2つの赤外線光子が希土類 イオンに吸収され、（高エネルギーの）吸収可能な光子を生成するときに発生します。例えば、エネルギー移動アップコンバージョンプロセス（ETU）は、近赤外線領域で励起イオン間の連続的な移動プロセスで構成されます。アップコンバータ材料は太陽電池の下に配置され、シリコンを通過する赤外線を吸収します。有用なイオンは、通常、3価の状態にあります。Er+
イオンが最も多く使用されています。3歳以上
イオンは1.54μm付近の太陽放射を吸収します。2つのEr3歳以上
この放射線を吸収したイオンは、アップコンバージョンプロセスを通じて相互作用する。励起されたイオンはSiバンドギャップを超える光を放出し、これが太陽電池に吸収されて新たな電子-正孔対を生成し、電流を発生させる。しかし、効率の向上はわずかであった。さらに、フッ化インジウム酸塩ガラスはフォノンエネルギーが低く、 Hoをドープした適切なマトリックスとして提案されている。3歳以上
イオン[131]

光吸収染料

色素増感太陽電池（DSSC）は低コストの材料で作られており、複雑な製造設備を必要としないため、DIYで製造できます。大量生産すれば、従来の固体電池設計よりも大幅に安価になるはずです。DSSCはフレキシブルシート状に加工することができ、変換効率は最高の薄膜電池には劣るものの、価格性能比は化石燃料発電と競合できるほど高い可能性があります。

典型的には、ルテニウム 金属有機 色素（Ruを中心とする）が光吸収材料の単分子層として使用され、これは二酸化チタンの薄膜上に吸着される。色素増感太陽電池は、このナノ粒子二酸化チタン（TiO 2 ）のメソポーラス層によって表面積（200～300 m 2 /g TiO
2（平らな単結晶の場合、約10 m 2 /gであるのに対し）これにより、太陽電池面積あたりの色素数を増やすことができ、電流を増加させることができます。光吸収色素からの光生成電子は、n型TiO
2そして、正孔は色素の反対側にある電解質によって吸収されます。回路は、液体または固体の電解質内の酸化還元対によって完成します。このタイプのセルは、より柔軟な材料の使用を可能にし、通常はスクリーン印刷または超音波ノズルによって製造され、バルク太陽電池に使用されるものよりも処理コストが低くなる可能性があります。ただし、これらのセルの色素は熱と紫外線によって劣化し、組み立てに使用される溶剤のためにセルケースを密閉することが困難です。このため、研究者は、漏れを防ぐために固体電解質を使用する固体型色素増感太陽電池を開発しました。[132] DSSCソーラーモジュールの最初の商用出荷は、2009年7月にG24i Innovationsによって行われました。[133]

量子ドット

量子ドット太陽電池（QDSC）は、グラッツェルセル、または色素増感太陽電池の構造に基づいていますが、量子ドットを形成するのに十分な小ささの結晶子サイズで製造された低バンドギャップ 半導体 ナノ粒子（ CdS、CdSe、Sbなど）を使用しています。
2S
3光吸収剤として有機色素や有機金属色素の代わりに、CdやPbなどの有機化合物（例えば、PbSなど）が用いられる。CdやPb系化合物は毒性があるため、CuInS 2、 CuInSe 2、CuInSeSなど、一連の「グリーン」QD増感材料も開発中である。[134] QDのサイズ量子化により、粒子サイズを変えるだけでバンドギャップを調整できる。また、高い消衰係数を持ち、多重励起子生成の可能性も示されている。[135]

QDSCでは、 DSSCと同様に、二酸化チタンナノ粒子のメソポーラス層がセルのバックボーンを形成します。このTiO
2その後、化学浴堆積法、電気泳動堆積法、またはイオン層吸着反応法を用いて半導体量子ドットをコーティングすることで、層を光活性にすることができます。その後、液体または固体の酸化還元対を用いて電気回路が完成します。QDSCの効率は、液体接合型[137]と固体型[138]の両方で5%を超えることが示されており、ピーク効率は11.91%と報告されています[139]。製造コストを削減する取り組みとして、Prashant Kamat研究グループ[140]は、 TiO
2CdSeは、ワンステップ法であらゆる導電性表面に1%以上の効率で塗布できる。[141]しかし、量子ドット（QD）のQDSCにおける吸収は室温では弱い。 [142]プラズモニックナノ粒子は、QD（例えば、ナノスター）の弱い吸収に対処するために利用できる。[143] QDのバンド内およびバンド間遷移を励起するために外部赤外線ポンピング源を追加することも別の解決策である。[142]

有機/ポリマー太陽電池

有機太陽電池とポリマー太陽電池は、ポリフェニレンビニレンなどのポリマー、銅フタロシアニン（青または緑の有機顔料）などの小分子化合物、 PCBMなどの炭素フラーレンおよびフラーレン誘導体などの有機半導体の薄膜（通常 100 nm ）から構築されます。

これらのセルは溶液から作製できるため、シンプルなロールツーロール印刷プロセスが可能であり、低コストで大規模な生産につながる可能性があります。さらに、これらのセルは、機械的な柔軟性と使い捨て性が重要となる一部の用途において有益となる可能性があります。しかしながら、現在のセル効率は非常に低く、実用的なデバイスは事実上存在しません。

導電性ポリマーを用いたこれまでのエネルギー変換効率は、無機材料に比べて非常に低い。しかしながら、Konarka Power Plastic社は8.3% [144]を達成し、2012年には有機タンデムセルが11.1%を達成した。[要出典]

有機デバイスの活性領域は、電子供与体と電子受容体という2つの材料から構成されています。光子が電子正孔対に変換される際、通常はドナー材料内で電荷は励起子の形で束縛されたままとなり、他の多くの太陽電池とは異なり、励起子がドナー-アクセプター界面に拡散する際に分離します。ほとんどのポリマー系では励起子拡散長が短いため、このようなデバイスの効率は制限される傾向があります。バルクヘテロ接合の形状をとるナノ構造界面は、性能を向上させることができます。[145]

2011年にMITとミシガン州立大学の研究者らは、小分子化合物で紫外線と近赤外線のスペクトル部分を選択的に吸収することで、人間の目に対して65%以上の透明度を持ち、電力効率が2%に近い太陽電池を開発した。[146] [147] UCLAの研究者らは最近、同じアプローチで、透明度が70%で電力変換効率が4%の類似のポリマー太陽電池を開発した。[148] [149] [150]これらの軽量で柔軟なセルは、低コストで大量生産することができ、発電用の窓を作るのに使用できる可能性がある。

2013年、研究者らは約3%の効率を持つポリマーセルを発表しました。彼らはブロック共重合体、すなわち自己組織化有機材料を用いて、明確な層を形成しました。この研究は、約16ナノメートル幅のバンドに分離するP3HT-b-PFTBTに焦点を当てていました。[151] [152]

適応細胞

適応細胞は、環境条件に応じて吸収・反射特性を変化させます。適応物質は入射光の強度と角度に反応します。細胞内で光が最も強い部分では、細胞表面が反射性から適応性へと変化し、光が細胞内を透過できるようになります。細胞の他の部分は反射性を維持し、吸収された光の細胞内への保持力を高めます。[153]

2014年には、ガラス基板とアダプティブサーフェスを組み合わせたシステムが開発されました。このシステムは、吸収された光をシートの端にある光吸収体に向け直します。このシステムには、光をアダプティブサーフェスに集光するための固定レンズ／ミラーアレイも含まれています。日が経つにつれ、集光された光はセルの表面に沿って移動します。光が最も集中しているときには、表面は反射型からアダプティブ型に切り替わり、光が移動した後には再び反射型に戻ります。[153]

表面テクスチャリング

ソーラーインパルス航空機は、完全に太陽電池で駆​​動するスイス設計の単座単葉機です。

テクスチャ加工された表面に入射した光線は、平面に入射した場合とは異なり、空気中に反射しません。むしろ、表面の形状により一部の光線は反対側の表面に再び反射されます。これにより、光吸収率と光電変換効率が向上します。表面テクスチャ加工は、主に費用対効果が高く光吸収率の低い薄膜太陽電池において、光損失を低減するために使用される技術の一つです。反射防止コーティングと組み合わせることで、表面テクスチャ加工技術は薄膜シリコン太陽電池内に光線を効果的に閉じ込めることができます。その結果、同じ出力であれば、太陽電池の厚さを薄くすることができ、光線吸収率も向上します。

表面テクスチャの形状とテクスチャリング技術は、複数の方法で実現できます。c -Si基板をエッチングすると、異方性エッチング液を用いて表面にランダムに分布した正方形のピラミッドを形成できます。[154]研究によると、c-Siウェーハをエッチングすることで、ナノスケールの逆ピラミッドを形成できることが示されています。2012年、MITの研究者は、ナノスケールの逆ピラミッドでテクスチャリングされたc-Si膜は、30倍の厚さの平面c-Siに匹敵する光吸収率を達成できると報告しました。[155]製造は容易ですが、効率は低くなりますが、多結晶太陽電池は、同位体エッチングまたはフォトリソグラフィー法によって表面にテクスチャリングすることができ、単結晶シリコンセルに匹敵する太陽エネルギー変換効率を実現できます。[156] [157]

このテクスチャ効果とPVモジュール内の他のインターフェースとの相互作用は、困難な光学シミュレーションタスクですが、モデリングと最適化のための効率的な方法が少なくとも1つ存在し、OPTOS形式主義です。[158]

カプセル化

太陽電池は一般に透明な高分子樹脂で封止され、動作中に予想される湿気、汚れ、氷などの環境条件との接触から繊細な太陽電池領域を保護します。封止材は一般にポリ酢酸ビニル またはガラスで作られています。ほとんどの封止材は構造と組成が均一であるため、樹脂内での光の全反射による光トラッピングにより集光性が向上します。集光性を高めるために封止材の構造化に関する研究が行われています。このような封止材には、粗面ガラス、[159]回折素子、 [160]プリズムアレイ、 [161 ]エアプリズム、[162] V溝、[163]拡散素子、多方向導波路アレイなどがあります。[164]プリズムアレイは、太陽エネルギーの総変換率が全体で5％増加します。[162]垂直に配列された広帯域導波路アレイは、垂直入射時に10%の集光効率向上、および広角集光効率最大4%の向上を実現します。 [165]最適化された構造により、短絡電流が最大20%増加します。[166]赤外光を可視光に変換するアクティブコーティングは、30%の集光効率向上を示しています。[167]プラズモニック光散乱を誘発するナノ粒子コーティングは、広角変換効率を最大3%向上させます。また、金属フロントコンタクトを効果的に「隠蔽」するための光学構造が封止材料に作製されています。[168] [169]

製造

初期の太陽電池式計算機

太陽電池は他の半導体デバイスといくつかの加工・製造技術を共有しており、電卓、時計、宇宙衛星の電源として広く使用されています。[170]しかし、半導体製造における清浄度と品質管理の厳しい要件は太陽電池では緩和されているため、コストが低く抑えられています。

多結晶シリコンウェーハは、ブロックキャストされたシリコンインゴットをワイヤーソーで切断し、厚さ180～350マイクロメートルのウェーハに加工することで製造されます。ウェーハは通常、p型ドープされています。ウェーハの表面にn型ドーパントの表面拡散処理が施され、これにより表面から数百ナノメートル下にp-n接合が形成されます。

次に、太陽電池に入射する光量を増やすために、通常は反射防止コーティングが施されます。優れた表面パッシベーション特性を持つ窒化シリコンは、二酸化チタンに代わり、徐々に好まれる材料となってきました。窒化シリコンは、セル表面でのキャリア再結合を防ぎます。数百ナノメートルの厚さの層をプラズマ化学蒸着法で成膜します。一部の太陽電池には、反射防止コーティングと同様に、ウェハに到達する光量を増やすテクスチャ加工された前面があります。このような表面処理は、最初は単結晶シリコンに適用され、その後少し遅れて多結晶シリコンにも適用されました。

裏面には全面に金属接点が形成され、前面には銀ペーストを用いて、細い「フィンガー」と大きな「バスバー」からなる格子状の金属接点がスクリーン印刷される。これは、1981年にバイエルAGが米国特許出願で初めて説明した、いわゆる「ウェット」電極塗布プロセスの進化形である。[171]裏面接点は、金属ペーストをスクリーン印刷することによって形成される。太陽光が照射される前面面積を最大化し、太陽電池の効率を向上させるために、メーカーは様々な裏面接点電極技術を用いている。

  • パッシブエミッタリアコンタクト（PERC）は、固体アルミニウムのリアコンタクト面を使用し、光を捕捉するためのポリマーフィルムを追加します[172]
  • トンネル酸化物パッシベーションコンタクト（TOPCon）は、徐々に小さくなる銀色のリアバスバーのグリッドパターンを使用し、PERCフィルムに酸化層を追加してより多くの光を捕捉します[173] [172] [174]
  • インターディジテーテッドバックコンタクト（IBC）[175]

その後、ペーストを数百℃で焼成し、シリコンとオーミック接触する金属電極を形成します。一部の企業では、効率を高めるために追加の電気めっき工程を採用しています。金属接点が形成された後、太陽電池は平らなワイヤまたは金属リボンで相互接続され、モジュール、つまり「ソーラーパネル」に組み立てられます。ソーラーパネルは、前面に強化ガラスシート、背面に ポリマーまたはガラスの封止材を備えています。

製造やリサイクルの種類によって、排出量の削減や環境へのプラス効果の有効性が左右される。[52]このような違いや有効性は、時間の経過とともにさまざまな地域でさまざまな目的に最適な種類の製品を生産するために 定量化できる可能性がある[52] 。

メーカーと認証

地域別太陽電池生産量[176]

国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は太陽光発電技術の試験と検証を行っています。太陽光発電機器の認証は、UL、IEEE（いずれも米国規格）、IEC （[要出典]）という3つの信頼できる団体が行っています。

IEAの2022年特別報告書は、2011年以降、500億米ドルを超える投資と約30万人の雇用創出により、太陽光発電サプライチェーンにおける中国の優位性を強調しています。中国は太陽光パネルの全製造工程の80%以上を独占しています。この支配はコストを大幅に削減しましたが、需給の不均衡やポリシリコンの生産制約といった問題も引き起こしました。しかしながら、中国の戦略的政策により、太陽光発電コストは80%以上削減され、世界的な価格競争力が向上しました。2021年には、中国の太陽光発電輸出額は300億米ドルを超えました。[177]

世界のエネルギーおよび気候目標の達成には、太陽光発電設備の大幅な拡大が必要であり、IEAの「2050年までにネットゼロエミッションへのロードマップ」によると、2030年までに630GW以上を目標としています。中国は太陽光発電設備の主要部品の約95%と新疆ウイグル自治区における世界のポリシリコン生産量の40%を独占しており、供給不足とコスト高騰のリスクをもたらしています。銀などの重要な鉱物の需要は、2030年までに2020年の世界生産量の30%を超える可能性があります。[177]

2021年には、中国の太陽光発電モジュール生産シェアは約70％に達し、2010年の50％から増加した。その他の主要生産国には、ベトナム（5％）、マレーシア（4％）、韓国（4％）、タイ（2％）が含まれ、これらの国の生産能力の多くは、特に米国への輸出を目的として中国企業によって開発された。[177]

中国

2018年9月現在、世界の太陽光発電モジュールの60%は中国製である。[178] 2018年5月現在、世界最大の太陽光発電所は中国のテンゲル砂漠にある。[179] 2018年、中国は太陽光発電設備容量（GW）を、次に続く9カ国の合計よりも多く追加した。[180 ] 2021年には、中国の太陽光発電モジュール生産シェアは約70%に達した。[177]

2023年上半期、中国の太陽光発電モジュール生産量は220GWを超え、2022年の同時期と比較して62%以上増加した。2022年、中国は世界最大の太陽光発電モジュール生産国としての地位を維持し、77.8%という圧倒的な市場シェアを占めた。[181]

ベトナム

2022年にはベトナムは中国に次ぐ第2位の太陽光発電モジュール生産国となり、生産能力は24.1GWに増加し、2021年の16.4GWから47%の大幅な増加を記録した。ベトナムは世界の太陽光発電生産の6.4%を占めている。[181]

マレーシア

2022年、マレーシアは10.8GWの生産能力で世界第3位の太陽光発電モジュール生産国となり、世界生産量の2.8%を占めました。これは、77.8%を占める中国と、6.4%を占めるベトナムに次ぐ規模です。[181]

アメリカ合衆国

米国の太陽光発電量は2013年から2019年にかけて倍増した。[182]これは、まず高品質シリコンの価格下落によるものであり、[183]​​ [184] [185]その後は単純に太陽光発電モジュールの世界的な価格暴落によるものとなった。[179] [186] 2018年には、米国の太陽光発電設備容量は10.8GW増加し、21%増加した。[180]

ラテンアメリカ：近年、ラテンアメリカは太陽光発電開発の有望な地域として台頭しており、2020年には10GWを超える設置実績があります。ラテンアメリカの太陽光発電市場は、豊富な太陽光資源、コストの低下、競争的な入札、そして電力需要の増加によって牽引されています。ラテンアメリカにおける太陽光発電の主要国としては、ブラジル、メキシコ、チリ、アルゼンチンなどが挙げられます。しかしながら、ラテンアメリカの太陽光発電市場は、政情不安、資金調達の不足、送電網のボトルネックといった課題にも直面しています。[187]

中東・アフリカ：中東・アフリカでも近年、太陽光発電の導入が著しく増加しており、2020年には8GWを超える設置数に達しました。中東・アフリカの太陽光発電市場は、太陽光発電の低コスト化、エネルギー源の多様化、気候変動対策、そして農村電化といった背景から牽引されています。中東・アフリカにおける太陽光発電の主要国としては、サウジアラビア、アラブ首長国連邦、エジプト、モロッコ、南アフリカなどが挙げられます。しかしながら、中東・アフリカの太陽光発電市場は、社会不安、規制の不確実性、技術的障壁など、様々な課題にも直面しています。[188]

材料調達

他の多くのエネルギー生成技術と同様に、太陽電池の製造、特にその急速な普及は、環境やサプライチェーンに多くの影響を及ぼします。太陽電池の種類によって異なる必要な鉱物を調達するために、世界的な鉱業は適応し、潜在的に拡大する可能性があります。[189] [190]太陽光パネルのリサイクルは、本来採掘が必要となる材料の供給源となる可能性があります。[52]

廃棄

太陽電池は時間の経過とともに劣化し、効率が低下します。砂漠や極地などの極端な気候では、強い紫外線や積雪の影響により、太陽電池の劣化が進行しやすくなります。[191]通常、太陽光パネルの寿命は25～30年とされ、その後は廃棄されます。[192]

国際再生可能エネルギー機関（IREA）は、2016年に発生した太陽光パネル関連電子機器廃棄物の量を43,500～250,000トンと推定しています。この数値は2030年までに大幅に増加し、2050年には6,000万～7,800万トンに達すると推定されています。[193]

リサイクル

市場で最も広く使用されている太陽電池は結晶太陽電池です。製品は、再び収穫できる場合、真にリサイクル可能です。2016年のパリ協定では、195か国が化石燃料から再生可能エネルギー源への転換を通じて、二酸化炭素排出量を削減することに合意しました。これにより、太陽光発電は世界中の電力発電の主要な担い手となるでしょう。そのため、寿命を終えた太陽光パネルは大量にリサイクルされることになります。実際、世界中の多くの研究者が、リサイクル後のシリコンセルの活用方法を見つけることに懸念を表明しています。[194] [195] [196] [197]

さらに、これらのセルには、シリコン（Si）、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）といった貴金属に加え、鉛（Pb）、カドミウム（ Cd）、硫化カドミウム（CdS）、セレン（Se）、バリウム（Ba）といった有害な元素・化合物が含まれています。これらの有害元素・化合物は、適切な方法で廃棄されなければ、人命だけでなく野生生物にも深刻な悪影響を及ぼす可能性があります。[198]

c-Siのリサイクルには様々な方法があります。主に熱分離法と化学分離法が用いられ、これは2段階で行われます[199]

  • PV 太陽電池の分離: 熱剥離では、エチレン酢酸ビニル(EVA) が除去され、ガラス、Tedlar®、アルミニウム フレーム、スチール、銅、プラスチックなどの材料が分離されます。
  • PV太陽電池の表面洗浄：PVモジュールから分離されたシリコン太陽電池から不要な層（反射防止層、金属コーティング、p-n半導体）を除去します。その結果、再利用に適したシリコン基板を回収できます。

最初の太陽光パネルリサイクル工場は2018年にフランスのルセに開設されました。この工場では年間1300トンの太陽光パネル廃棄物をリサイクルする予定で、処理能力は4000トンまで増強可能です。[200] [201] [202]リサイクルが環境規制ではなく市場価格のみによって推進される場合、リサイクルに対する経済的インセンティブは不確実なままであり、2021年時点では、開発された様々なタイプのリサイクル技術の環境影響を定量化する必要がある。[52]

参照

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ウィキメディア コモンズには、太陽電池に関連するメディアがあります。
ウィキメディア・コモンズには太陽電池に関連するメディアがあります。
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