第三世代の太陽電池

第3世代太陽電池は、単一バンドギャップ太陽電池の電力効率が31～41%というショックレー・クワイサー限界を超える可能性のある太陽電池です。これには、半導体p-n接合型セル（「第1世代」）や薄膜セル（「第2世代」）に代わる様々な選択肢が含まれます。一般的な第3世代システムには、アモルファスシリコンまたはガリウムヒ素を用いた多層（「タンデム」）セルが含まれますが、より理論的な発展としては、周波数変換（つまり、セルが利用できない光の周波数をセルが利用できる光の周波数に変換することで、より多くの電力を生成する）、ホットキャリア効果、その他のマルチキャリア放出技術などがあります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

新興の太陽光発電には以下のものがあります。

特にペロブスカイト太陽電池の研究成果は、その効率が近年20%を超えるまでに急上昇したことで、社会から大きな注目を集めています。また、低コストで幅広い用途への展開が期待されています。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]さらに、もう一つの新興技術である集光型太陽光発電（CPV）は、高効率の多接合型太陽電池を光学レンズと追尾システムと組み合わせて使用​​します。

テクノロジー

太陽電池は、ラジオ受信機の可視光版と考えることができます。受信機は3つの基本部分で構成されています。アンテナは電波（光）をアンテナ材料内の電子の波動運動に変換し、電子バルブはアンテナの先端から飛び出す電子を捕捉し、チューナーは選択した周波数の電子を増幅します。ラジオと同一の太陽電池、いわゆる光レクテナを構築することは可能ですが、これまで実用化には至っていません。

太陽光発電市場の大部分はシリコンベースのデバイスで構成されています。シリコンセルでは、シリコンはアンテナ（技術的には電子供与体）と電子バルブの両方の役割を果たします。シリコンは広く入手可能で、比較的安価であり、太陽光集光に最適なバンドギャップを有しています。欠点としては、シリコンの大量生産にはエネルギー的にも経済的にもコストがかかるため、必要量を削減するための多大な努力が払われてきました。さらに、シリコンは機械的に脆いため、通常は機械的支持と風雨からの保護のために、強力なガラス板を使用する必要があります。ガラスだけでも、典型的な太陽光モジュールのコストのかなりの部分を占めています。

ショックレー・クワイサー限界によれば、セルの理論的な効率の大部分は、バンドギャップと太陽光子のエネルギー差によって決まります。バンドギャップよりも高いエネルギーを持つ光子は光励起を引き起こしますが、バンドギャップを超えるエネルギーは失われます。太陽光スペクトルを考えてみましょう。地上に到達する光のうち、青色はごくわずかですが、その光子は赤色光の3倍のエネルギーを持っています。シリコンのバンドギャップは1.1 eVで、赤色光とほぼ同じです。つまり、この場合、青色光のエネルギーはシリコンセル内で失われます。バンドギャップを高く、例えば青色に調整すると、そのエネルギーは捕捉されますが、その代償として、より低いエネルギーの光子は吸収されなくなります。

異なるバンドギャップを持つ薄い層状の材料を積み重ねることで、単接合セルを大幅に改善することが可能です。これを「タンデムセル」または「多接合」アプローチと呼びます。従来のシリコン製造方法では、このアプローチは適していません。代わりにアモルファスシリコンの薄膜が使用されてきましたが、特にユニソーラー社の製品がその一例です。しかし、他の問題により、従来のセルの性能に匹敵する性能を得ることができませんでした。ほとんどのタンデムセル構造は、より高性能な半導体、特にガリウムヒ素（GaAs）をベースとしています。3層GaAsセルは、実験例において41.6%の効率を達成しました。[ 9 ] 2013年9月には、4層セルが44.7%の効率を達成しました。[ 10 ]

数値解析によると、「完璧な」単層太陽電池のバンドギャップは1.13 eVで、これはシリコンとほぼ一致します。このようなセルは、理論上の最大電力変換効率が33.7%に達します。これは、赤色以下の波長（赤外線）の太陽光エネルギーが失われ、高波長域の余分なエネルギーも失われるためです。2層セルの場合、一方の層を1.64 eV、もう一方の層を0.94 eVに調整すると、理論上の性能は44%になります。3層セルの場合は、1.83、1.16、0.71 eVに調整すると、効率は48%になります。理論上の「無限層」セルは、拡散光に対して理論上の効率が68.2%になります。[ 11 ]

発見された新しい太陽光発電技術はナノテクノロジーを中心としていますが、現在使用されている材料方法はいくつかあります。

第三世代というラベルには複数の技術が含まれており、非半導体技術（ポリマーやバイオミメティクスを含む）、量子ドット、タンデム/多接合セル、中間バンド太陽電池、[ 12 ] [ 13 ]ホットキャリアセル、光子アップコンバージョンおよびダウンコンバージョン技術、そしてグリーン氏が第三世代と特定した技術の1つであるサーモフォトニクスなどの太陽熱技術が含まれます。[ 14 ]

また、以下のものも含まれています。[ 15 ]

参照

参考文献

  1. ^ Shockley, W.; Queisser, HJ (1961). 「p-n接合太陽電池の効率の詳細なバランス限界」. Journal of Applied Physics . 32 (3): 510. Bibcode : 1961JAP....32..510S . doi : 10.1063/1.1736034 .
  2. ^ルケ、アントニオ;ロペス・アラウホ、ヘラルド（1990）。太陽光発電エネルギー変換の物理的制限。ブリストル：アダム・ヒルガー。ISBN 0-7503-0030-2。
  3. ^ Green, MA (2001). 「第三世代太陽光発電：低コストで超高変換効率」. 『太陽光発電の進歩：研究と応用』 . 9 (2): 123– 135. doi : 10.1002/pip.360 .
  4. ^ Martí, A.; Luque, A. (2003年9月1日).次世代太陽光発電：フルスペクトル利用による高効率. CRC Press. ISBN 978-1-4200-3386-1。
  5. ^ Conibeer, G. (2007). 「第三世代太陽光発電」 . Materials Today . 10 (11): 42– 50. doi : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .
  6. ^ 「安定性とコスト削減に優れた新しいペロブスカイト太陽電池」 PHYS.org 2014年7月17日. 2015年8月4日閲覧。
  7. ^ 「スプレー蒸着法がペロブスカイト太陽電池の商業化を推進」 ChemistryWorld 、 2014年7月29日。 2015年8月4日閲覧。
  8. ^ 「ペロブスカイト太陽電池」 Ossila . 2015年8月4日閲覧。
  9. ^ David Biello、「太陽電池の効率記録更新」、 Scientific American、2009年8月27日
  10. ^ 「太陽電池、44.7%の効率で世界新記録を達成」。2013年9月26日閲覧。
  11. ^グリーン、マーティン（2006年）「第三世代太陽光発電」ニューヨーク：シュプリンガー、66頁。
  12. ^ルケ, アントニオ; マルティ, アントニオ (1997). 「中間準位における光子誘起遷移による理想的太陽電池の効率向上」 .フィジカル・レビュー・レターズ. 78 (26): 5014– 5017. doi : 10.1103/PhysRevLett.78.5014 .
  13. ^ Weiming Wang; Albert S. Lin; Jamie D. Phillips (2009). 「ZnTe:Oをベースとした中間バンド光起電力太陽電池」. Appl. Phys. Lett . 95 (1): 011103. Bibcode : 2009ApPhL..95a1103W . doi : 10.1063/1.3166863 .
  14. ^グリーン、マーティン（2003年）「第三世代太陽光発電：先進的な太陽エネルギー変換」シュプリンガー・サイエンス+ビジネス・メディアISBN 978-3-540-40137-7。
  15. ^ UNSW太陽光発電工学部. 「第三世代太陽光発電」 . 2008年6月20日閲覧。
  16. ^ Sol3gがAzur Spaceからトリプルジャンクション太陽電池を確保
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