太陽電池の研究
1976年以降の太陽電池のエネルギー変換効率に関する研究の報告年表（国立再生可能エネルギー研究所）

現在、世界中の大学や研究機関で、太陽光発電の分野で多くの研究グループが活動しています。これらの研究は、現在の技術である太陽電池をより安価かつ高効率にすることで他のエネルギー源と効果的に競合すること、新しい太陽電池の構造設計に基づく新技術の開発、そして光エネルギーから電流、あるいは光吸収体と電荷キャリアへのより効率的なエネルギー変換装置として機能する新材料の開発という3つの分野に分類できます。

シリコン加工

コスト削減の一つの方法は、十分に純度の高いシリコンをより安価に得る方法を開発することです。シリコンは非常にありふれた元素ですが、通常はシリカ、つまり珪砂に結合しています。シリカ（SiO 2）を加工してシリコンを製造するには、非常に多くのエネルギーを必要とします。現在の効率では、従来の太陽電池では、シリコンの製造に使用されたエネルギーと同じ量のエネルギーを生成するのに1～2年かかります。よりエネルギー効率の高い合成方法は、太陽光発電産業だけでなく、シリコン技術を取り巻く産業全体にとっても有益です。

現在のシリコンの工業生産は、炭素（木炭）とシリカを約1700℃の温度で反応させることによって行われています。このプロセスは炭素還元と呼ばれ、1トンのシリコン（冶金グレード、純度約98%）を製造する際に、約1.5トンの二酸化炭素が排出されます。

固体シリカは、溶融塩浴中で比較的穏やかな温度（800～900℃）で電気分解することにより、純粋なシリコンに直接変換（還元）することができます。[ 1 ] [ 2 ]この新しいプロセスは、1996年後半に初めて発見されたFFCケンブリッジプロセスと原理的には同じですが、興味深い実験室での発見は、このような電解シリコンは多孔質シリコンであり、粒子サイズが数マイクロメートルの微粉末に容易に変化するため、太陽電池技術の開発に新たな機会をもたらす可能性があるということです。

シリコンの使用量を減らし、コストを削減するもう一つの方法は、ウェーハを微細加工して非常に薄く、実質的に透明な層を作り、透明な建築カバーとして使用できるというものである。[ 3 ]この技術では、通常 1～2 mm の厚さのシリコン ウェーハを用意し、ウェーハ全体に多数の平行な横断スライスを作り、厚さ 50 マイクロメートルで元のウェーハの厚さに等しい幅を持つ多数のスライスを作成する。これらのスライスは 90 度回転し、元のウェーハの面に対応する表面がスライスのエッジになる。その結果、例えば、直径 150 mm、厚さ 2 mm のウェーハ (露出したシリコン表面積が 1 面あたり約 175 cm 2)は、寸法が 100 mm × 2 mm × 0.1 mm のスライス約 1000 個に変換され、露出したシリコン表面積は面あたり約 2000 cm 2になる。この回転の結果、ウェハの表面にあった電気ドーピングと接点は、従来のウェハセルのように前面と背面ではなく、ウェハの端面に配置されます。これにより、セルの前面と背面の両方から感度が得られるという興味深い効果が得られます（この特性はバイフェイシャリティと呼ばれます）。[ 3 ]この技術を用いることで、140ワットのパネルを1枚のシリコンウェハで製造できます。これは、同じ出力の従来のモジュールを製造するには約60枚のウェハが必要だったのに対し、1枚のシリコンウェハで十分です。

ナノ結晶太陽電池

これらの構造は、同じ薄膜光吸収材料の一部を使用していますが、非常に薄い吸収体として、非常に大きな表面積を有する導電性ポリマーまたはメソポーラス金属酸化物の支持マトリックス上に重ねられています。これにより、内部反射が増加し（ひいては光吸収の可能性が高まります）、光吸収が促進されます。ナノ結晶を用いることで、典型的な励起子拡散長であるナノメートル単位の長さスケールのアーキテクチャを設計することが可能になります。特に、単一ナノ結晶（「チャネル」）デバイスは、電極間に拡散長程度の間隔で配置された単一のpn接合のアレイであり、太陽電池の新しいアーキテクチャとして期待されています。

薄膜処理

薄膜太陽電池は、ウェハベースの太陽電池と比較して高価な原材料（シリコンやその他の光吸収体）を1%未満しか使用しないため、ワットピーク容量あたりの価格が大幅に低下します。世界中に多くの研究グループが、様々な薄膜手法や材料の研究を積極的に行っています。[ 4 ]

特に有望な技術の一つは、ガラス基板上に結晶シリコン薄膜を形成する技術です。この技術は、太陽電池材料としての結晶シリコンの利点（豊富さ、無毒性、高効率、長期安定性）と、薄膜技術によるコスト削減効果を兼ね備えています。[ 5 ] [ 6 ]

薄膜太陽電池のもう一つの興味深い点は、フレキシブル基板（例えばPET ）を含むあらゆる種類の材料にセルを堆積できる可能性であり、これにより新たな用途への新たな次元が開かれる。 [ 7 ]

変成多接合太陽電池

2014年12月現在、フランスのソイテック、CEA-LetiとドイツのフラウンホーファーISEの共同研究により開発された多接合集光型太陽電池を使用することで、太陽電池効率の世界記録46%が達成されました。[ 8 ]

国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、太陽エネルギーを記録的な効率で変換する超軽量で柔軟なメタモルフィック多接合型太陽光発電セルで、 R&DマガジンのR&D 100賞を受賞しました。[ 9 ]

超軽量で高効率な太陽電池はNRELで開発され、ニューメキシコ州アルバカーキのEmcore Corp. [ 10 ]が、アルバカーキのカートランド空軍基地にある空軍研究所宇宙船局と提携して商品化しています。

これは、性能、エンジニアリング設計、運用、そしてコストにおいて明確な優位性を持つ、新たなタイプの太陽電池です。従来のセルは数十年にわたり、類似した結晶構造を持つ半導体材料のウェハーを用いてきました。しかし、セルを垂直に成長させる必要があるため、その性能とコスト効率は制約を受けていました。また、セルは硬く、重く、厚みがあり、下層はゲルマニウムでできています。

この新しい方法では、セルを上下逆に成長させます。これらの層には、特に発電の大部分が集中するセルの上層部において、極めて高品質の結晶を持つ高エネルギー材料が使用されています。すべての層が均一な原子間隔の格子パターンに従っているわけではありません。その代わりに、セルは様々な原子間隔を包含しており、これにより太陽光をより多く吸収し、有効活用することができます。厚くて硬いゲルマニウム層を取り除くことで、セルのコストと重量を94%削減しました。従来のセル製造方法を根本から変えることで、超軽量でフレキシブルなセルが実現しました。また、太陽エネルギーを記録的な効率（326太陽集光下で40.8%）で変換します。

ポリマー加工

導電性ポリマーの発明（アラン・ヒーガー、アラン・G・マクダーミド、白川英樹の3氏がノーベル賞を受賞した）は、安価なプラスチックをベースとしたはるかに安価なセルの開発につながる可能性があります。しかし、有機太陽電池は一般に紫外線にさらされると劣化するため、実用化するには寿命が短すぎます。ポリマー内の結合は、より短い波長の照射を受けると常に切断されやすくなります。さらに、電荷を運ぶポリマー内の共役二重結合系は、光や酸素とより容易に反応します。そのため、ほとんどの導電性ポリマーは高度に不飽和で反応性が高いため、大気中の湿気や酸化に非常に敏感であり、商用化は困難です。

ナノ粒子処理

実験的な非シリコン太陽電池パネルは、導電性ポリマーやメソポーラス金属酸化物に埋め込まれたカーボンナノチューブや量子ドットなどの量子ヘテロ構造で作製できます。さらに、従来のシリコン太陽電池にこれらの材料の薄膜を形成することで、シリコンセルへの光結合効率を高め、全体的な効率を向上させることができます。量子ドットのサイズを変えることで、セルは異なる波長を吸収するように調整できます。この研究はまだ初期段階ですが、量子ドット改変型太陽光発電は、多重励起子生成（MEG）により最大42%のエネルギー変換効率を達成できる可能性があります。[ 11 ]

MITの研究者らは、ウイルスを利用して太陽電池の効率を3分の1向上させる方法を発見した。

透明導電体

多くの新しい太陽電池は、電荷伝導体でもある透明薄膜を用いています。現在研究に用いられている導電性薄膜の主流は、透明導電性酸化物（略称「TCO」）で、フッ素ドープ酸化スズ（SnO 2 :F、または「FTO」）、ドープ酸化亜鉛（例：ZnO:Al）、インジウムスズ酸化物（略称「ITO」）などがあります。これらの導電性薄膜は、フラットパネルディスプレイ用のLCD業界でも使用されています。TCOは、光を基板の窓から透過させてその下の活性光吸収材料に到達させると同時に、光生成した電荷キャリアをその光吸収材料から運び去るオーミック接触としても機能します。現在のTCO材料は研究には有効ですが、大規模な太陽光発電生産にはまだ最適化されていない可能性があります。高真空下での非常に特殊な堆積条件が必要であり、機械的強度が低い場合があり、また、スペクトルの赤外線領域における透過率が低いものもほとんどです（例：ITO薄膜は飛行機の窓の赤外線フィルターとしても使用できます）。これらの要因により、大規模製造のコストは高くなります。

カーボンナノチューブネットワークを有機太陽電池の透明導電体として利用するという、比較的新しい分野が出現しました。ナノチューブネットワークは柔軟性があり、様々な方法で表面に堆積させることができます。適切な処理を施すことで、ナノチューブ膜は赤外線領域で高い透明性を実現できるため、高効率な低バンドギャップ太陽電池の実現が期待されます。従来の透明導電体はn型のみでしたが、ナノチューブネットワークはp型導電体です。p型透明導電体が利用可能になれば、製造を簡素化し、効率を向上させる新たなセル設計が可能になる可能性があります。

シリコンウエハベースの太陽電池

300mmウエハーから製造された六角形太陽電池の3D設計には、多接合太陽電池や量子ドット用の半導体デバイス製造技術を利用できる可能性がある。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

新素材やエキゾチックな材料を用いてより優れた太陽電池を作ろうとする試みは数多くなされてきたものの、現実には太陽光発電市場は依然としてシリコンウエハベースの太陽電池（第一世代太陽電池）が独占している。これは、ほとんどの太陽電池メーカーが現在このタイプの太陽電池を生産できる体制を整えていることを意味する。その結果、シリコンウエハベースの太陽電池をより低コストで製造し、生産コストを大幅に増加させることなく変換効率を高めるための研究が世界中で盛んに行われている。ウエハベースおよび代替太陽光発電コンセプトの両方における最終目標は、現在市場で主流となっている石炭、天然ガス、原子力と同等のコストで太陽光発電を生産し、それを主要な一次エネルギー源にすることである。これを達成するには、太陽光発電システムの設置コストを、現在の約1.80米ドル（バルクSi技術の場合）からピーク電力1ワットあたり約0.50米ドルに引き下げる必要があるかもしれない。[ 15 ]従来のバルクシリコンモジュールの最終コストの大部分は、太陽光グレードのポリシリコン原料の高コスト（約0.4米ドル/ワットピーク）に関係しているため、Si太陽電池をより薄くする（材料の節約）か、より安価なアップグレードされた冶金シリコン（いわゆる「ダーティーSi」）から太陽電池を製造しようとする動きが活発化しています。

IBMは、特殊なパターン除去技術を用いて廃棄された半導体ウエハをシリコンベースの太陽電池パネルの製造に使用できる形状に再生する半導体ウエハ再生プロセスを有しています。この新プロセスは最近、全米汚染防止円卓会議（NPPR）から「2007年最も価値のある汚染防止賞」を受賞しました。[ 16 ]

赤外線太陽電池

アイダホ国立研究所の研究者たちは、マサチューセッツ州ケンブリッジのライトウェーブ・パワー社、そしてミズーリ大学のパトリック・ピンヘロ氏と共同で、太陽などの熱源から発生する熱エネルギーを集光する数十億個のナノアンテナを内蔵したプラスチックシートを安価に製造する方法を考案し、2007年のNano50賞を2つ受賞しました。同社は2010年に操業を停止しました。このエネルギーを使用可能な電力に変換する方法はまだ開発が必要ですが、将来的には、このシートが軽量の「スキン」として製造され、ハイブリッドカーからコンピューター、携帯電話まで、あらゆるものに従来の太陽電池よりも高い効率で電力を供給することができるようになるかもしれません。このナノアンテナは、地球が日中に太陽からエネルギーを吸収した後に熱として絶えず放射している中赤外線をターゲットとしています。また、両面ナノアンテナシートは、太陽のスペクトルの異なる部分からエネルギーを集光することができます。一方、従来の太陽電池は可視光しか利用できないため、夜間は使用できなくなります。

2012年以来、ロベルト・ジェルマーノのグループは、ナフィオンなどの強力な親水性ポリマーのおかげで、例えば液体の水に物理的（化学的ではない）非対称性を作り出し、純粋な液体の水に電圧と電流を生成するオキシ水力電気効果に取り組んでいます。[ 17 ] [ 18 ] この研究グループはイタリアのナポリに拠点を置いており、この研究はジェルマーノの「技術移転会社」Promete srlのサイドプロジェクトとして開始され、2023年からはこの研究ラインをさらに発展させる目的で設立されたスタートアップ企業であるOxhy srlで実施されています。

紫外線太陽電池

産業技術総合研究所（AIST）は、紫外線（UV）光で発電し、可視光は透過する透明太陽電池の開発に成功しました。従来の太陽電池の多くは、可視光と赤外線を用いて発電します。従来の窓ガラスの代替として利用することで設置面積が大きくなり、発電、照明、温度調節といった機能を組み合わせた用途への展開が期待されます。

この透明な紫外線吸収システムは、ニオブドープチタン酸ストロンチウム基板上に堆積したp型半導体ポリマーPEDOT:PSS膜からなる有機無機ヘテロ構造を用いることで実現した。PEDOT:PSSは空気中で安定しており、水溶性であるため、薄膜化が容易である。これらの太陽電池は紫外線領域でのみ活性化し、16%の電子/光子という比較的高い量子収率が得られる。この技術の今後の研究では、低コストで大面積の製造を実現するために、チタン酸ストロンチウム基板をガラス基板上に堆積したチタン酸ストロンチウム膜に置き換えることを目指している。[ 19 ]

それ以来、太陽電池発電に紫外線波長を含めるための他の方法が発見されてきました。いくつかの企業は、ナノリン光体を透明コーティングとして使用し、紫外線を可視光に変換することを報告しています。[ 20 ]また、 GaNなどのワイドバンドギャップ透明半導体にマンガンなどの遷移金属をドーピングすることで、単接合型太陽電池の吸収範囲を拡大するという報告もあります。[ 21 ]

フレキシブル太陽電池の研究

フレキシブル太陽電池の研究は研究レベルの技術であり、その一例がマサチューセッツ工科大学で開発され、化学蒸着技術を用いて普通の紙などのフレキシブル基板上に光起電材料を堆積させることで太陽電池が製造されている。[ 22 ]紙上に太陽電池を製造する技術は、マサチューセッツ工科大学の研究者グループが国立科学財団とEni-MITアライアンスソーラーフロンティアプログラム の支援を受けて開発した。

3D太陽電池

入射光のほぼすべてを捕捉し、太陽光発電システムの効率を向上させると同時に、サイズ、重量、機械的な複雑さを軽減できる3次元太陽電池が開発中です。ジョージア工科大学研究所で開発されたこの新しい3D太陽電池は、都市の街路網に並ぶ高層ビルを模した小型の「タワー」構造のアレイを用いて太陽光から光子を捕捉します。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Solar3D社はこのような3D太陽電池の商品化を計画していますが、その技術は現在特許出願中です。[ 26 ]

発光太陽光集光器

発光型太陽光集光器は、太陽光やその他の光源を望ましい周波数に変換し、その出力を電気などの望ましい形態のエネルギーに変換するために集光する。これらは、適切なコーティングやドーパントで処理された液体、ガラス、プラスチックなどの媒体の発光（通常は蛍光）を利用する。この構造は、大きな入力領域からの出力を小さな変換器に向けるように構成され、そこで集光されたエネルギーが光電気を生成する。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]目的は、低コストで広い領域で光を集めることである。発光型集光器パネルはガラスやプラスチックなどの材料から安価に製造できるが、太陽電池は高精度でハイテクなデバイスであるため、大型の製造にはコストがかかる。

ナイメーヘン・ラドバウド大学やデルフト工科大学などの大学で研究が進められている。例えば、マサチューセッツ工科大学の研究者らは、窓を太陽光集光器に変換して発電する方法を開発した。研究者らは、ガラス板またはプラスチック板に染料の混合物を塗布する。染料は太陽光を吸収し、ガラス内で蛍光として再放射する。光は内部反射によって閉じ込められ、ガラスの端から現れ、そこで集中した太陽光を変換するために最適化された太陽電池に当たる。集光係数は約40で、この光学設計により、レンズベースの集光器とは異なり、太陽に正確に向ける必要がなく、拡散光からでも出力を生成できる太陽光集光器が実現する。コバレント・ソーラー社はこのプロセスの商業化に取り組んでいる。[ 30 ]

メタマテリアル

メタマテリアルは、多数の微小元素を並置した異種材料であり、通常の固体には見られない特性を発現します。メタマテリアルを用いることで、狭い波長範囲において優れた吸収特性を持つ太陽電池を作製できる可能性があります。マイクロ波領域では高い吸収特性が実証されていますが[ 31 ] [ 32 ]、300～1100nmの波長領域ではまだ実証されていません。

太陽光発電熱ハイブリッド

一部のシステムでは、太陽光発電と太陽熱発電を組み合わせており、太陽熱発電部分が熱を運び、太陽電池を冷却するという利点があります。温度を低く保つことで抵抗が低下し、太陽電池の効率が向上します。[ 33 ]

ペンタベースの太陽光発電

ペンタセンベースの太陽光発電は、エネルギー効率比を最大95％まで向上させ、今日の最も効率的な技術の効率を実質的に2倍にすると言われています。[ 34 ]

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。[ 35 ]

ルケとマルティは、詳細平衡を用いて、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にキャリアが集積されず、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離れた場合、最大効率は63.2%になることを見出した。1太陽照射下では、限界効率は47%である。[ 36 ]

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