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薄膜太陽電池は、ガラス、プラスチック、金属などの基板上に光起電材料の1 つ以上の薄い層 (薄膜または TF)を堆積することによって作られる太陽電池の一種です。薄膜太陽電池の厚さは通常、数ナノメートル ( nm ) から数ミクロン ( μm ) で、従来の結晶シリコン(c-Si) ベースの太陽電池で使用されるウェーハ(最大 200 μm の厚さになる場合があります) よりもはるかに薄いです。薄膜太陽電池は、テルル化カドミウム(CdTe)、銅インジウムガリウムセレン化物(CIGS)、アモルファス薄膜シリコン(a-Si、TF-Si) など、いくつかの技術で商業的に使用されています。
太陽電池は、製造に使用される活性層（太陽光吸収層）に基づいて、いわゆる世代に分類されることが多く、最も確立された第 1 世代の太陽電池は、単結晶または多結晶シリコンで作られています。これは、ほとんどの太陽光発電システムで現在使用されている主要な技術です。ほとんどの薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン（a-Si）、テルル化カドミウム（CdTe）、銅インジウムガリウムセレン化物（CIGS）、ガリウムヒ素（GaAs）など、十分に研究された材料の薄い層を使用して作られる第 2 世代に分類されます。より新しく、あまり確立されていない材料で作られた太陽電池は、第 3 世代または新興太陽電池に分類されます。これには、ペロブスカイト、色素増感、量子ドット、有機、CZTS薄膜太陽電池 などの革新的な薄膜技術が含まれます。
薄膜セルは、第 1 世代のシリコン太陽電池に比べて、構造が薄いため軽量で柔軟性が高いなど、いくつかの利点があります。このため、建物一体型太陽光発電や、窓にラミネートできる半透明の太陽光発電グレージング材料としての使用に適しています。他の商業用途では、世界最大級の太陽光発電所のいくつかで、剛性のある薄膜ソーラーパネル(2 枚のガラスの間に挟み込む)が使用されています。さらに、薄膜太陽電池に使用される材料は通常、第 1 世代のセルよりもコスト効率に優れたシンプルでスケーラブルな方法で製造されるため、多くの場合、温室効果ガス (GHG) 排出などの環境への影響が低くなります。また、薄膜セルは通常、人体への毒性や重金属排出の点で、再生可能および非再生可能な電力源よりも優れています。
特に第3世代のPV材料では、当初は効率的な 光変換に課題があったものの、2023年現在、一部の薄膜太陽電池は単接合薄膜GaAsセルで最大29.1%の効率に達しており、標準的な単接合第1世代太陽電池の最大効率26.1%を超えています。薄膜技術を組み込んだ多接合 集光型セルは、2023年現在、最大47.6%の効率に達しています。[1]
それでも、多くの薄膜技術は加速寿命試験において第一世代のセルに比べて動作寿命が短く、劣化率が大きいことが判明しており、これが薄膜技術の導入がやや限定的となっている一因となっている。世界的に見ると、薄膜技術のPV市場シェアは2023年時点で約5％にとどまっている。[2]しかし、薄膜技術は米国でかなり普及しており、CdTeセルだけで2022年の新規ユーティリティ規模の導入の約30％を占めている。 [3]
歴史
薄膜太陽電池の研究は1970年代に始まりました。1970年、ヨッフェ研究所のジョレス・アルフェロフのチームが最初のガリウムヒ素（GaAs）太陽電池を開発し、後にこの研究と他の研究により2000年のノーベル物理学賞を受賞しました。[4] [5] 2年後の1972年、カール・ボーア教授は薄膜太陽電池の研究を進めるため、デラウェア大学にエネルギー変換研究所（IEC）を設立しました。この研究所は最初、硫化銅/硫化カドミウム（Cu 2 S/CdS）電池に焦点を当て、その後、 1975年にはリン化亜鉛（Zn 3 P 2）とアモルファスシリコン（a-Si）薄膜にも研究範囲を広げました。 [6] 1973年、IECは住宅一体型太陽光発電の最初の例として、太陽光発電住宅「Solar One」を発表しました。[7]次の10年間で、商業利用や航空宇宙[8]用途での薄膜技術への関心が大幅に高まり、いくつかの企業がアモルファスシリコン薄膜太陽電池の開発を開始しました。 [9]薄膜太陽電池の効率は1980年にCu 2 S / CdSで10％に上昇し、 [10] 1986年にARCOソーラーはアモルファスシリコン製の初の市販薄膜太陽電池G-4000を発売しました。[11]
1990年代から2000年代にかけて、薄膜太陽電池の最大効率は大幅に向上し、既存の薄膜技術は新しい分野に拡大しました。1992年には、サウスフロリダ大学で効率15%を超える薄膜太陽電池が開発されました。[12]そのわずか7年後の1999年には、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）とSpectrolabが協力して、3接合ガリウムヒ素太陽電池を開発し、効率32%を達成しました。[13]同年、Kiss + Cathcartはタイムズスクエア4番地の窓の一部に透明な薄膜太陽電池を設計し、5～7軒の住宅に電力を供給するのに十分な電力を生成しました。[14] [12] 2000年には、BPソーラーが薄膜技術に基づく2つの新しい商用太陽電池を発表しました。[12] 2001年には、リンツのヨハネス・ケプラー大学で最初の有機薄膜太陽電池が開発されました。 2005年、ラドバウド大学の研究者らによって初めて自立型（基板なし）セルが導入され、GaAs太陽電池はさらに薄型化しました。[15]
この時期は、従来の固体材料の理論的な効率限界を克服する可能性のある第3世代の新しい太陽電池材料の探究が大きく進歩した時期でもありました。[16] 1991年、最初の高効率色素増感太陽電池が開発され、通常の固体半導体層（活性層）が光吸収色素を含む液体電解質混合物に置き換えられました。[17] 2000年代初頭には、量子ドット太陽電池の開発が始まり、[16]この技術は後に2011年にNRELによって認定されました。[18] 2009年、東京大学の研究者は、活性層にペロブスカイトを使用し、3％を超える効率を達成した新しいタイプの太陽電池を報告しました。[19]これは、光を吸収できるペロブスカイト層を作成した1999年の村瀬周夫の研究に基づいています。[20]
2010年代から2020年代初頭にかけて、薄膜太陽電池技術の革新には、第3世代の太陽電池技術を新しい用途に拡大し、製造コストを削減する取り組みや、第2世代と第3世代の両方の材料の大幅な効率向上が含まれていました。 2015年、Kyung-In Syntheticは、産業用プリンターで作られたフレキシブル太陽電池である最初のインクジェット太陽電池をリリースしました。 [21] 2016年、マサチューセッツ工科大学（MIT）のVladimir Bulovićの有機およびナノ構造エレクトロニクス（ONE）ラボは、シャボン玉の上に置けるほど軽い薄膜セルを作成しました。[22] 2022年、同じグループは布地に統合されたフレキシブル有機薄膜太陽電池を発表しました。[23] [24]
薄膜太陽光発電技術は、1988年に新規太陽光発電導入量の32%という世界市場シェアのピークを迎えたが、その後数十年にわたって減少し、2009年には再び17%という小さなピークに達した。[25] [26]その後、市場シェアは着実に減少し、2021年には世界全体で5%となったが[25] 、薄膜技術は同年に米国の総市場シェアの約19%を占め、その中には実用規模の生産量の30%も含まれていた。[27]
動作原理
典型的な太陽電池では、光起電力効果を利用して太陽光から電気を生成します。太陽電池の光吸収層または「活性層」は通常、半導体材料です。つまり、エネルギー スペクトルには、ホストイオンの周囲に局在する電子の価電子帯と、材料全体を自由に移動できる高エネルギー電子の伝導帯との間にギャップがあります。ほとんどの半導体材料では、室温では、他のソースから余分なエネルギーを得ていない電子は主に価電子帯に存在し、伝導帯には電子がほとんどまたはまったく存在しません。太陽光子が太陽電池の半導体活性層に到達すると、価電子帯の電子は光子のエネルギーを吸収して伝導帯に励起され、材料全体を自由に移動できるようになります。これが起こると、空の電子状態 (または正孔) が価電子帯に残ります。伝導帯の電子と価電子帯の正孔を合わせて、電子正孔対 と呼ばれます。電子正孔対の電子と正孔はどちらも、電気として材料中を自由に移動できます。[28]しかし、電子正孔対が分離されていない場合、電子と正孔はよりエネルギーの低い元の状態に再結合し、対応するエネルギーの光子を放出します。熱力学的平衡では、順方向プロセス（光子を吸収して電子正孔対を励起する）と逆方向プロセス（光子を放出して電子正孔対を破壊する）は、詳細平衡の原理により同じ速度で発生する必要があります。したがって、半導体材料から太陽電池を構築し、励起プロセス中に電流を抽出するには、電子正孔対の電子と正孔を分離する必要があります。これはさまざまな方法で実現できますが、最も一般的なのはpn接合です。pn接合では、正にドープされた（p型）半導体層と負にドープされた（n型）半導体層が出会い、化学ポテンシャル差を作成して電子を一方向に引き、正孔を他の方向に引き寄せ、電子正孔対を分離します。[29]これは、ショットキー接合セルのように、異なる仕事関数を持つ金属接点を使用することで実現できる。
薄膜太陽電池では、プロセスはほぼ同じですが、活性半導体層がはるかに薄くなっています。これは、使用される半導体材料の固有の特性によって、厚さあたり特に多数の光子を変換できることによって可能になる場合があります。たとえば、一部の薄膜材料は直接バンドギャップを持ちます。これは、伝導帯と価電子帯の電子状態が、シリコンなどの間接バンドギャップ半導体の場合のように異なる運動量ではなく、同じ運動量であることを意味します。直接バンドギャップを持つことで、運動量のソースまたはシンク（通常は格子振動またはフォノン）の必要性がなくなり、光子を吸収する2段階のプロセスが1段階のプロセスに簡素化されます。[30]他の薄膜材料は、太陽スペクトルのピークエネルギーによく一致するエネルギーバンドギャップを持つという理由だけで、厚さあたりより多くの光子を吸収できる場合があります。つまり、電子正孔対を励起するために利用できる適切なエネルギーの太陽光子が多数存在することを意味します。
他の薄膜太陽電池では、半導体層が完全に別の光吸収材料に置き換えられることがあります。たとえば、色素増感太陽電池では電解質溶液と光活性色素分子、量子ドット太陽電池では量子ドットなどがこれに当たります。
材料
薄膜技術は、セル内の活性物質の量を減らします。活性層は、ガラス、プラスチック、または金属でできた硬い基板上に置かれることもあれば、布のような柔軟な基板でセルを作ることもあります。薄膜太陽電池は、結晶シリコンセルよりも安価になる傾向があり、環境への影響も小さくなります（ライフサイクル分析から判断）。[31]また、薄くて柔軟なため、建物一体型太陽光発電などの用途にも最適です。ほとんどのフィルムパネルは、結晶シリコンよりも変換効率が2～3パーセントポイント低くなりますが、[32]一部の薄膜材料は、効率の点で結晶シリコンパネルを上回ります。カドミウムテルル化物（CdTe）、銅インジウムガリウムセレン化物（CIGS）、アモルファスシリコン（a-Si）は、最もよく知られている3つの薄膜技術です。
第二世代薄膜材料
テルル化カドミウム
カドミウムテルル化物（CdTe）は、薄膜技術の主流であるカルコゲニド材料です。世界のPV生産量の約5％を占め、薄膜市場の半分以上を占めています。セルの実験室効率も近年大幅に向上しており、2013年の時点でCIGS薄膜と同等で、多結晶シリコンの効率に近づいています。[33] : 24–25 また、CdTeは量産されているすべてのPV技術の中で最もエネルギー回収期間が短く、好ましい場所では8か月と短くなります。[33] : 31 CdTeは、地球温暖化係数や重金属排出など、多くの重要な環境影響要因に関して、他のほとんどの薄膜PV材料よりも優れた性能を発揮します。[34]著名なメーカーは、アリゾナ州テンピに拠点を置く米国企業First Solarで、約18％の効率のCdTeパネルを製造しています。[35]
カドミウムの毒性はそれほど大きな問題ではなく、CdTeモジュールを寿命後にリサイクルすることで環境問題は完全に解決されるかもしれないが[36] 、依然として不確実性があり[37]、世論はこの技術に懐疑的である。[38] [39]希少材料の使用は、CdTe薄膜技術の産業的拡張性を制限する要因にもなる可能性がある。テルル（テルル化物は陰イオン型）の希少性は、地殻中の白金の希少性と同等であり、モジュールのコストに大きく影響する。[40]
銅インジウムガリウムセレン（CIGS）
CdTeと同様に、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）とそのバリエーションはカルコゲニド化合物半導体です。CIGS太陽電池は、2021年に23％を超える実験室効率（表を参照）と全体のPV市場の0.8％のシェアを達成しました。[45] 多くの企業がCIGS太陽電池とモジュールを製造していますが、そのうちのいくつかはここ数年で生産を大幅に削減または中止しています。
実際の研究では、個々の層を変更または置き換えることによって、製造と機能に関連する特性を改善することを目的としています。たとえば、
- CIGS太陽電池は、ガラスの代わりにフレキシブル基板上に堆積した場合、効率の低下が特に低いため（表を参照）、曲げることができ軽量な太陽電池モジュールの有望な候補と考えられています。[48]
太陽電池の他の層の開発の可能性とは別に、吸収材料CIGSは、化合物中のインジウムとガリウムの比率を調整することでバンドギャップを調整できるという注目すべき特性を持っています。バンドギャップを調整することで、太陽電池によって吸収される太陽光スペクトルの割合を変えることができるため、CIGSセルは多接合太陽電池の構成要素として特に興味深いものとなっています。[48]
銅を銀で、セレンを硫黄で部分的に置き換えて、化合物 (Ag z Cu 1-z )(In 1-x Ga x )(Se 1-y S y ) 2 を生成することも可能。硫黄を含まない化合物を区別するために、CIGSe と略されることもありますが、頭字語 CIGS は硫黄とセレンの両方を含む化合物を指すことがあります。銀を含む化合物は、ACIGS と呼ばれることもあります。CIGS 組成のバリエーションは現在研究されており、一部は産業界でも製造されています。
シリコン
シリコン薄膜アーキテクチャには、主に次の 3 つがあります。
- アモルファスシリコンセル
- 非晶質/微結晶タンデムセル（マイクロモルフ）
- ガラス上の薄膜多結晶シリコン。[49]
アモルファスシリコン
アモルファス シリコン(a-Si) は、非結晶性の同素体シリコンであり、現在までに最も開発された薄膜技術です。薄膜シリコンは、従来のウェーハ(またはバルク)結晶シリコンの代替品です。カルコゲニドベースの CdTe および CIS 薄膜セルは研究室で開発され、大きな成功を収めていますが、業界では依然としてシリコン ベースの薄膜セルに関心が寄せられています。シリコン ベースのデバイスは、CdTe セルの毒性や湿度の問題、材料の複雑さによる CIS の製造歩留まりの低さなど、CdTe や CIS のデバイスよりも問題が少なくなっています。さらに、太陽エネルギー生産における非「グリーン」材料の使用に対する政治的な抵抗のため、標準シリコンの使用に問題はありません。
このタイプの薄膜セルは、主にプラズマ化学蒸着法と呼ばれる技術によって製造されています。この技術では、シラン（SiH 4 ）と水素の混合ガスを使用して、透明導電性酸化物層で既にコーティングされているガラス、プラスチック、金属などの基板上に、わずか1マイクロメートル（μm）の非常に薄いシリコン層を堆積します。基板上にアモルファスシリコンを堆積するために使用される他の方法には、スパッタリングとホットワイヤ化学蒸着法があります。[50]
a-Si は豊富で毒性のない材料であるため、太陽電池の材料として魅力的です。処理温度が低く、シリコン材料をほとんど必要とせずに、柔軟で低コストの基板上にスケーラブルな生産が可能です。1.7 eV のバンドギャップのため、アモルファス シリコンは赤外線や紫外線を含む非常に広い範囲の光スペクトルを吸収し、弱い光でも非常によく機能します。これにより、拡散光や間接日光にさらされると効率が大幅に低下する結晶シリコンセルとは対照的に、セルは早朝や夕方遅く、曇りや雨の日でも発電できます。[引用が必要]
しかし、a-Si セルの効率は、動作開始から最初の 6 か月間で約 10 ～ 30 パーセントの大幅な低下を被ります。これはStaebler-Wronski 効果(SWE) と呼ばれ、太陽光への長時間の露出によって光伝導性と暗伝導性が変化し、電気出力が失われる典型的な現象です。この劣化は 150 °C 以上のアニール処理によって完全に回復しますが、従来の c-Si 太陽電池ではそもそもこの効果は見られません。
その基本的な電子構造は、pin接合である。a-Siの非晶質構造は、高い固有の無秩序性とダングリングボンドを意味し、電荷キャリアにとって悪い導体となる。これらのダングリングボンドは、キャリアの寿命を大幅に短縮する再結合中心として機能します。通常、nip構造ではなくpin構造が使用されます。これは、a-Si:Hの電子の移動度が正孔の移動度よりも約1桁または2桁大きいため、n型接点からp型接点に移動する電子の収集率は、p型接点からn型接点に移動する正孔よりも優れているためです。したがって、p型層は、光強度が強い上部に配置し、接合を通過する電荷キャリアの大部分が電子になるようにする必要があります。[51]
a-Si/μc-Siを用いたタンデムセル
アモルファス シリコンの層を他の同素体シリコンの層と組み合わせると、多接合太陽電池が製造されます。2 つの層 (2 つの pn 接合) のみを組み合わせた場合は、タンデム セルと呼ばれます。これらの層を積み重ねると、より広い範囲の光スペクトルが吸収され、セル全体の効率が向上します。
マイクロモルファスシリコンでは、微結晶シリコン（μc-Si）の層がアモルファスシリコンと組み合わされてタンデムセルが形成されます。上部のa-Si層は可視光を吸収し、赤外線部分は下部のμc-Si層に残します。マイクロモルフ積層セルのコンセプトは、スイスのヌーシャテル大学のマイクロテクノロジー研究所（IMT）で開発され特許を取得しました。 [52]そしてTELソーラーにライセンス供与されました。マイクロモルフコンセプトに基づく12.24％のモジュール効率を誇る新しい世界記録のPVモジュールは、2014年7月に独立して認定されました。[53]
すべての層はシリコンでできているため、PECVDを使用して製造できます。a -Siのバンドギャップは1.7 eV、c-Siのバンドギャップは1.1 eVです。c-Si層は赤色光と赤外線を吸収できます。最高の効率はa-Siとc-Si間の遷移時に達成できます。ナノ結晶シリコン（nc-Si）はc-Siとほぼ同じバンドギャップを持っているため、nc-Siはc-Siを置き換えることができます。[54]
a-Si/pc-Siを使用したタンデムセル
アモルファスシリコンは、プロト結晶シリコン（pc-Si）と組み合わせてタンデムセルにすることもできます。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、高い開放電圧に最適です。[55]これらのタイプのシリコンは、ぶら下がったねじれた結合を示し、深い欠陥（バンドギャップのエネルギーレベル）と価電子帯と伝導帯（バンドテール）の変形を引き起こします。
ガラス上の多結晶シリコン
バルク シリコンの利点と薄膜デバイスの利点を融合する新しい試みは、ガラス上の薄膜多結晶シリコンです。これらのモジュールは、プラズマ強化化学蒸着 (PECVD) を使用して、テクスチャ ガラス基板に反射防止コーティングとドープ シリコンを蒸着して製造されます。ガラスのテクスチャにより、太陽電池から反射する入射光の量が減少し、太陽電池内に光が閉じ込められるため、セルの効率が約 3% 向上します。シリコン フィルムは、400 ～ 600 ℃ の温度でアニール処理されて結晶化され、多結晶シリコンになります。
これらの新しいデバイスは、8% のエネルギー変換効率と 90% を超える高い製造歩留まりを示しています。多結晶シリコンが 1～2 マイクロメートルの結晶シリコン オン ガラス (CSG) は、安定性と耐久性に優れています。薄膜技術の使用も、バルク太陽光発電よりもコスト削減に貢献しています。これらのモジュールには、透明導電性酸化物層は必要ありません。これにより、製造プロセスが 2 倍簡素化されます。このステップを省略できるだけでなく、この層がないため、接触スキームを構築するプロセスがはるかに簡単になります。これらの簡素化により、製造コストがさらに削減されます。代替設計に比べて多くの利点があるにもかかわらず、単位面積あたりの製造コストの見積もりでは、これらのデバイスのコストは単接合アモルファス薄膜セルと同等であることが示されています。[49]
ガリウムヒ素
ガリウムヒ素（GaAs）は、III-V族直接バンドギャップ半導体であり、単結晶薄膜太陽電池に使用される非常に一般的な材料です。 GaAs太陽電池は、その優れた耐熱性と高効率性により、最も高性能な薄膜太陽電池の1つであり続けています。[56] 2019年現在、単結晶GaAsセルは、29.1％の効率で、単接合太陽電池の中で最も高い太陽電池効率を示しています。[57]この記録保持セルは、裏面にバックミラーを実装して光子吸収を高め、この高い効率を達成しました。これにより、セルは、印象的な短絡電流密度と、ショックレー・クワイサー限界に近い開放電圧値を達成できました。[58]その結果、GaAs太陽電池はほぼ最大効率に達しましたが、光トラッピング戦略を採用することでさらに改善することができます。[59]
GaAs薄膜は、基板材料上で半導体をエピタキシャル成長させることによって最も一般的に製造される。1978年に初めて実証されたエピタキシャルリフトオフ（ELO）技術は、最も有望で効果的であることが証明されている。この方法では、エピタキシャル膜と基板の間に置かれた犠牲層を選択的にエッチングすることによって、薄膜層を基板から剥がす。[60] GaAs膜と基板は分離プロセスによって最小限の損傷しか受けないため、ホスト基板を再利用できる。[61]基板を再利用することで製造コストを削減できるが、基板は限られた回数しか再利用できないため、完全にゼロになるわけではない。[59]このプロセスはまだ比較的コストがかかり、エピタキシャル膜層を基板上に成長させるより費用対効果の高い方法を見つけるための研究が現在も行われている。
GaAs 薄膜セルは高性能であるにもかかわらず、材料費が高いため、太陽電池業界で広く採用されるには至っていません。GaAs は、宇宙船の太陽電池パネル用の多接合太陽電池でよく使用されます。これは、重量に対する出力の比率が大きいため、宇宙太陽光発電( InGaP / (In)GaAs / Geセル) の打ち上げコストが下がるためです。また、GaAs は集光型太陽光発電でも使用されます。これは、レンズを使用して、はるかに小型で安価な GaAs 集光型太陽電池に太陽光を集光する、太陽光を多く受ける場所に最適な新興技術です。
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第三世代（新興）薄膜材料
国立再生可能エネルギー研究所は、いくつかの薄膜技術を新興太陽光発電に分類していますが、そのほとんどは商業的にはまだ利用されておらず、まだ研究開発段階にあります。多くは有機材料、多くの場合は有機金属化合物や無機物質を使用しています。これらの技術の多くは初期段階では不安定性と効率の低さに悩まされてきましたが、ペロブスカイトなどの新興材料は単結晶シリコンセルに匹敵する効率を達成しています。これらの技術の多くは、単接合固体セルの効率に関するショックレー・クワイサー限界を上回る可能性があります。これらの技術は、環境への影響が少ない低コストで高効率の太陽電池を製造するという目標を達成できると期待されているため、多大な研究が投入されてきました。
銅亜鉛スズ硫化物（CZTS）
銅亜鉛スズ硫化物Cu(Zn,Sn)(S,Se) 2（一般にCZTSと略される）とその誘導体CZTSeおよびCZTSSeは、ケステライトと呼ばれることもあるカルコゲニド（CdTeおよびCIGS/CISなど）のグループに属します。CdTeおよびCIGSとは異なり、CZTSは豊富で無毒な原材料から作られています。さらに、CZTSのバンドギャップはS/Se比を変更することで調整することができ、これは最適な太陽電池の設計に望ましい特性です。[62] CZTSは高い光吸収係数も持っています。
その他の新興カルコゲニドPV材料には、Sb 2 (S,Se) 3などのアンチモンベースの化合物があります。CZTSと同様に、調整可能なバンドギャップと優れた光吸収を備えています。アンチモンベースの化合物は、デバイスエンジニアリングに役立つ可能性のある準1D構造も持っています。これらの新興カルコゲニド材料はすべて、最も成熟した効率的な薄膜技術ファミリーの1つであるという利点があります。2022年現在、CZTSセルは最大約12.6％の効率を達成しており、アンチモンベースのセルは9.9％に達しています。[63]
色素増感型（DSPV）
色素増感セルは、グレッツェルセルまたはDSPVとも呼ばれ、一種の人工光合成を行う革新的なセルであり、[64]バルク固体半導体またはpn接合の必要性を排除します。代わりに、液体電解質溶液の上に半導体遷移金属酸化物ナノ粒子と混合した光活性色素の層を使用して構築され、プラチナまたは場合によってはグラフェンで作られた電気接点で囲まれ、ガラスでカプセル化されています。セルに入る光子は、色素分子に吸収され、色素分子を増感状態にすることができます。この状態では、色素分子は半導体伝導帯に電子を注入することができます。その後、色素電子は電極によって補充され、電子正孔対の再結合を防ぎます。半導体内の電子は、電気接点を通じて電流として流れ出します。[65]
色素増感型太陽電池は、安価でコスト効率の良いロールベースの製造を可能にするため魅力的です。[62]しかし、実際には、プラチナやルテニウムなどの高価な材料が含まれているため、これらの低コストは達成できません。[62]色素増感型セルには、特に液体電解質が原因で、安定性と劣化の問題もあります。高温環境では、電解質がセルから漏れる可能性があり、低温環境では電解質が凍結する可能性があります。これらの問題の一部は、準固体電解質を使用することで克服できます。[64]
2023年現在、色素増感太陽電池の最大実現効率は約13％である。[66]
有機太陽電池（OPV）
有機太陽電池は、光活性材料として有機半導体ポリマーを使用します。これらの有機ポリマーは製造コスト効率が良く、高い吸収係数で調整可能です。[64]有機太陽電池の製造もコスト効率が良く、効率的なロールツーロール生産技術を利用できます。また、エネルギー回収時間や地球温暖化の可能性など、さまざまな影響要因において、すべてのPV技術の中で最も環境影響スコアが低い技術の1つです。[67]
有機セルは本来柔軟性があり、多くの用途に適しています。マサチューセッツ工科大学（MIT）の有機ナノ構造エレクトロニクス研究所（ONEラボ）の科学者は、劣化することなく500回以上広げることができる柔軟な布地基板に有機PVを統合しました。[23]
しかし、有機太陽電池は一般的に安定性が低く、動作寿命が短い傾向があります。また、電子-正孔対の結合エネルギーが大きいなど、材料固有の限界があるため、他の薄膜セルよりも効率が低い傾向があります。[64] 2023年現在、有機太陽電池の最大達成効率は18.2%です。[66]
ペロブスカイト太陽電池
ペロブスカイトは、共通の結晶構造を持つ材料のグループであり、発見者である鉱物学者レフ・ペロフスキーにちなんで名付けられました。PV用途に最もよく使用されるペロブスカイトは、有機無機ハイブリッドメチルアンモニウム鉛ハロゲン化物であり、広範囲に調整可能なバンドギャップ、高い吸収係数、電子と正孔の両方に対する優れた電子輸送特性など、多くの有利な特性を備えています。[68] 2023年現在、単接合ペロブスカイト太陽電池は最大25.7％の効率を達成しており、単結晶シリコンに匹敵します。ペロブスカイトは、結晶シリコン、CIGS、その他のPV技術と組み合わせたタンデムセルやマルチ接合セルでもよく使用され、さらに高い効率を実現します。[66]また、低コストの用途も幅広く提供しています。[69] [70] [71]
しかし、ペロブスカイトセルの寿命は短い傾向があり、2016年時点での典型的な寿命は5年です。[68]これは主に、光、湿気、紫外線、高温にさらされると化学的に不安定になり、デバイスの動作に影響を与える構造変化を引き起こす可能性があるためです。したがって、適切なカプセル化が非常に重要です。[64]
量子ドット太陽光発電（QDPV）
量子ドット太陽電池（QDPV）は、通常の固体半導体活性層を半導体量子ドットに置き換えます。光活性層のバンドギャップは、量子ドットのサイズを変更することで調整できます。[62] QDPVは、多重励起子生成（MEG）と呼ばれるプロセスで光子ごとに複数の電子正孔対を生成する可能性があり、理論上の最大変換効率は87％になる可能性がありますが、[34] 2023年現在、QDPVセルの最大達成効率は約18.1％です。[66] QDPVセルは、他のタイプの太陽電池よりも活性層材料の使用量が大幅に少ない傾向があるため、製造プロセスのコストが低くなります。ただし、QDPVセルは、他の薄膜PV材料と比較して、特に人体への毒性と重金属の排出など、環境への影響が大きい傾向があります。[34]
アプリケーション
透明太陽電池
2022年には、窓ほどの大きさの半透明の太陽電池が報告された。[72]研究チームのメンバーが2020年に高い透明度で記録的な効率を達成した後である。 [73] [74]また、2022年には、他の研究者らが、ほぼ目に見えない平均可視透明度79%という記録的な太陽電池の製造を報告した。[75] [76]
建物一体型太陽光発電
薄膜PV材料は軽量で柔軟性に富む傾向があるため、建物一体型太陽光発電（BIPV）に適しています。[77]一般的な例としては、半透明モジュールを窓のデザインに統合すること[78]や、屋根材の代わりに剛性のある薄膜パネルを使用することなどが挙げられます。BIPVは、通常の建築材料を使用しないことで発生する排出を回避するため、太陽電池モジュールによる生涯にわたる環境への影響（温室効果ガス（GHG）排出など）を大幅に削減できます。[79]
効率性
導入当初は効率が低かったにもかかわらず、多くの薄膜技術は、2023 年時点で最大効率 26.1% の従来の単接合非集光型結晶シリコン太陽電池に匹敵する効率を備えています。実際、GaAs 薄膜セルと GaAs 単結晶セルはどちらも最大効率が高く、それぞれ 29.1% と 27.4% です。さまざまな主要な薄膜材料の単接合非集光型薄膜セルの最大効率をグラフに示します。
商用モジュールの効率
重要なのは、実験室環境で達成される最大効率は、一般的に製造されたセルの効率よりも高く、製造されたセルの効率は20～50%低いことが多いということだ。[68] 2021年現在、製造された太陽電池の最大効率は、単結晶シリコンで24.4%、多結晶シリコンで20.4%、アモルファスシリコンで12.3%、CIGSで19.2%、CdTeモジュールで19%だった。[80]最高の効率を示した薄膜セルのプロトタイプは20.4%（ファーストソーラー）で、パナソニックの最高の従来型太陽電池プロトタイプ効率25.6%に匹敵する。[81] [82]
薄膜太陽電池の変換効率のこれまでの記録は、世界最大のCIS（銅インジウムセレン）太陽光発電プロバイダーであるソーラーフロンティアによって達成された22.3％であった。日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）との共同研究で、ソーラーフロンティアはCIS技術を使用して0.5cm2のセルで22.3％の変換効率を達成した。これは、業界の以前の薄膜記録21.7％を0.6パーセントポイント上回るものであった。[83]
効率の計算
太陽電池の効率は、太陽電池に入射する光のうち使用可能な電気に変換される光の割合を定量化します。太陽電池の効率に影響を与える要因は多数あるため、効率は、短絡電流、開放電圧、最大電力点、曲線因子、量子効率などの追加の数値によってさらにパラメーター化される場合があります。短絡電流は、電圧負荷なしでセルが流すことができる最大電流です。同様に、開放電圧は、電流が流れていないときのデバイス全体の電圧、または電流が流れないために必要な電圧です。電流対電圧 (IV) 曲線では、開放電圧は曲線と電圧軸の水平切片であり、短絡電流は曲線と電流軸の垂直切片です。最大電力点は、曲線上で太陽電池の最大電力出力が達成される点であり、最大電力点の電流座標と電圧座標に等しい辺の長さを持つ長方形の面積は、曲線因子と呼ばれます。フィルファクターは、太陽電池が最大電力点でどれだけの電力を達成できるかを示す指標です。直感的に、より四角い形状で、上部と側面がより平らなIV曲線は、フィルファクターが大きく、したがって効率が高くなります。[84]これらのパラメータは、主にマクロな電気特性に基づいて太陽電池の効率を特徴づけますが、量子効率は、セルに入射する光子の数と抽出された電荷キャリアの数の比率（外部量子効率）またはセルによって吸収された光子の数と抽出された電荷キャリアの数の比率（内部量子効率）を測定します。いずれにしても、量子効率は太陽電池のミクロな構造をより直接的に調べるものです。[85]
効率性の向上
第三世代の太陽電池の中には、集光器や多接合デバイスの形状を統合することで効率を高めているものもあります。[63]これにより、単一接合半導体太陽電池の効率が1太陽照射下で約42%というショックレー・クワイサー限界を超える可能性があります。 [86]
多接合セルは、異なるバンドギャップを持つ複数の半導体活性層を組み込んだものです。一般的な太陽電池では、太陽スペクトルのピークに近いバンドギャップを持つ単一の吸収体が使用され、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子は価電子帯の電子を伝導帯に励起して電子正孔対を生成できます。ただし、フェルミエネルギーを超える余分なエネルギーは熱化によりすぐに消散し、高エネルギー光子のエネルギーを効率的に抽出できないために電圧損失が発生します。多接合セルは、複数の吸収体層を積み重ね、最上層で最高エネルギーの光子を吸収し、より低エネルギーの光子をバンドギャップの小さい下層に通過させるなどして、熱化で失われたエネルギーの一部を回復できます。これにより、セルはより広いエネルギー範囲の光子からエネルギーを捕捉できるだけでなく、高エネルギー光子から光子あたりより多くのエネルギーを抽出できます。[要出典]
集光型太陽光発電は、太陽光を集光する漏斗のように、セルの上部に設置されたレンズの光学系を使用して、より広い領域からの光をデバイスに集中させます。吸収可能な光子の数を増やすだけでより多くの電子正孔対が生成されるだけでなく、電荷キャリアの濃度が高くなると導電性が高まり、太陽電池の効率が向上します。太陽電池に集光器を追加すると、効率が向上するだけでなく、セルの製造に必要なスペース、材料、コストを削減できます。[87]
これら2つの技術は、2023年時点で最も効率の高い太陽電池に採用されており、効率は47.6%の4接合集光型太陽電池となっている。[1]
吸収力を高める
細胞に入る光の量を増やし、吸収されずに逃げる光の量を減らすために、さまざまな技術が採用されてきました。最も明白な技術は、細胞表面の上部接触被覆を最小限に抑え、細胞への光の到達を妨げる領域を減らすことです。
弱く吸収された長波長の光はシリコンに斜めに結合され、膜を数回通過して吸収を高めることができます。[88] [89]
細胞表面から反射される入射光子の数を減らすことで吸収を高めるための複数の方法が開発されています。追加の反射防止コーティングは、表面コーティングの屈折率を調整することで、細胞内で破壊的な干渉を引き起こすことができます。破壊的な干渉により反射波が除去され、すべての入射光が細胞内に入ります。
表面テクスチャリングは吸収を高めるもう 1 つのオプションですが、コストが高くなります。活性材料の表面にテクスチャを適用することで、反射光が屈折して表面に再び当たるため、反射率が低下します。たとえば、反応性イオンエッチング (RIE) によるブラックシリコンテクスチャリングは、薄膜シリコン太陽電池の吸収を高めるための効果的で経済的な方法です。[90]テクスチャ付き背面反射板は、セルの背面から光が漏れるのを防ぐことができます。活性材料にテクスチャリングを適用する代わりに、セルの前面接点に適用されるフォトニックマイクロ構造コーティングは、光捕捉の興味深い代替手段です。幾何学的な反射防止と光散乱の両方を可能にし、光起電層の粗さを回避します (これにより再結合の増加を防止します)。[91] [92]
表面テクスチャリングの他に、プラズモニック光トラッピング方式は、薄膜太陽電池の光電流増強を助けるものとして多くの注目を集めた。[93] [94]この方法は、貴金属ナノ粒子内の励起自由電子の集団振動を利用し、粒子の形状、サイズ、および周囲の媒体の誘電特性の影響を受ける。薄膜太陽電池の背面に貴金属ナノ粒子を適用すると、プラズモニック背面反射体が形成され、広帯域光電流増強が可能になる。[95]これは、後方に位置するナノ粒子からの弱く吸収された光子の光散乱と、粒子上にセル材料をコンフォーマルに堆積させることで形成されたセル前面の半球状の波形によって引き起こされる改善された光結合（幾何学的反射防止）の両方の結果である。[96]
反射損失を最小限に抑えることに加えて、太陽電池の材料自体を最適化することで、到達した光子を吸収する可能性を高めることができます。熱処理技術により、シリコンセルの結晶品質を大幅に向上させ、効率を高めることができます。 [97]薄膜セルを重ねて多接合太陽電池を作成することもできます。各層のバンドギャップは、異なる波長範囲を最もよく吸収するように設計できるため、一緒により大きなスペクトルの光を吸収できます。[98]
幾何学的考察をさらに進めると、ナノ材料の次元性を活用することができます。大きく平行なナノワイヤアレイは、ワイヤの長さに沿って長い吸収長を可能にしながら、放射方向に沿った短い少数キャリア拡散長を維持します。[99]ナノワイヤ間にナノ粒子を追加すると伝導が可能になります。これらのアレイの自然な幾何学的形状は、より多くの光を閉じ込めるテクスチャ表面を形成します。
生産、コスト、市場
近年の従来の結晶シリコン（c-Si）技術の進歩と、深刻な世界的不足の期間の後に続いたポリシリコン原料のコスト低下により、アモルファス薄膜シリコン（a-Si）、テルル化カドミウム（CdTe）、銅インジウムガリウム二セレン化物（CIGS）などの商用薄膜技術のメーカーへの圧力が高まり、いくつかの企業が倒産した。[100] 2013年現在、薄膜メーカーは中国のシリコン精製業者や従来のc-Si太陽電池パネルメーカーとの価格競争に直面し続けている。いくつかの企業（破産）は特許とともに中国企業に原価割れで売却された。[101]
市場占有率
2013年には、薄膜技術は全世界の導入の約9％を占め、91％は結晶シリコン（モノシリコンとマルチシリコン）が占めていました。市場全体の5％を占めるCdTeは、薄膜市場の半分以上を占めており、CIGSとアモルファスシリコンがそれぞれ2％ずつ残っています。[33] ：18–19
CIGS技術
いくつかの著名なメーカーは、近年の従来のc-Si技術の進歩によって引き起こされた圧力に耐えることができませんでした。ソリンドラ社は2011年にすべての事業活動を停止し、連邦破産法第11章の適用を申請し、同じくCIGSメーカーであるナノソーラー社は2013年に閉鎖しました。両社ともCIGS太陽電池を製造していましたが、失敗は技術によるものではなく、ソリンドラ社の円筒状基板など、欠陥のある構造を使用していた企業自体によるものだと指摘されています。[102] 2014年に、韓国のLGエレクトロニクスは太陽光発電事業の再編のためCIGSの研究を中止し、サムスンSDIはCIGSの生産中止を決定しました。一方、中国のPVメーカーである漢能は、効率15.5%の650 mm×1650 mmのCIGSモジュールの生産能力を増強すると予想されています。[103] [104] CI(G)S太陽光発電の最大手メーカーの一つは、ギガワット規模の生産能力を持つ日本のソーラーフロンティアです。 [105] （CIGS企業一覧も参照）。
CdTe技術
CdTeの大手メーカーであるファーストソーラー社は、カリフォルニアの砂漠にあるそれぞれ550MWの発電能力を持つデザートサンライトソーラーファームとトパーズソーラーファーム、そして2015年に稼働を開始した南半球最大の太陽光発電所であるオーストラリアの102メガワットのニンガンソーラープラントなど、世界最大級の太陽光発電所を数カ所建設している。[106]
2011年、GEは6億ドルを投じて新しいCdTe太陽電池工場を建設し、この市場に参入する計画を発表した。 [107]また、2013年にはファースト・ソーラーがGEのCdTe薄膜知的財産ポートフォリオを買収し、業務提携を結んだ。[108] 2012年にはカドミウムテルル化物モジュールの製造業者であるアバウンド・ソーラーが倒産した。[109]
a-Si技術
2012年、かつては世界有数のアモルファスシリコン（a-Si）技術メーカーであったECDソーラーが米国ミシガン州で破産を申請した。スイスのOCエリコンは、a-Si/μc-Siタンデムセルを生産していたソーラー部門を東京エレクトロン株式会社に売却した。[110] [111]
アモルファスシリコン薄膜市場から撤退した他の企業としては、デュポン、BP、フレックスセル、インベンタックス、プラマック、シュコー、センセラ、EPVソーラー、[112]ノバソーラー（旧オプティソーラー）[113]およびサンテックパワー（2010年にa-Siモジュールの製造を中止し、従来のシリコンソーラーパネルに注力）などがある。2013年、サンテックは中国で破産を申請した。[114] [115] 2013年8月、薄膜a-Siおよびa-Si/μ-Siのスポット市場価格は、それぞれワットあたり0.36ユーロと0.46ユーロ[116]（約0.50ドルと0.60ドル）に下落した。[117]
金属屋根の薄膜太陽光発電
薄膜ソーラーランニングダウンスタンディングシームメタルルーフ
薄膜ソーラーの効率向上に伴い、立体継ぎ目金属屋根への設置は、従来の単結晶および多結晶ソーラー セルと比べてコスト競争力が増しています。薄膜パネルは柔軟性があり、立体継ぎ目金属屋根に沿って走り、接着剤で金属屋根に貼り付けられるため、設置時に穴をあける必要はありません。接続ワイヤは、屋根上部のリッジ キャップの下を走ります。効率は 10 ～ 18% ですが、設置容量 1 ワットあたりのコストはわずか 2 ～ 3 ドルです。一方、単結晶の効率は 17 ～ 22% で、設置容量 1 ワットあたりのコストは 3 ～ 3.50 ドルです。薄膜ソーラーは 1 平方フィートあたり 7 ～ 10 オンスと軽量です。薄膜太陽電池パネルの寿命は10～20年[118]ですが、従来の太陽電池パネルよりも投資回収期間が短く、金属屋根は交換までの寿命が40～70年であるのに対し、アスファルトシングル屋根は12～20年です。[119] [120]
料金
1998年、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の科学者は、薄膜PVシステムを1平方メートルあたり50ドルのコストで生産できるようになると予測し、それが実現すれば薄膜PVシステムは極めて経済的に実現可能になるとした。この価格であれば、薄膜PVシステムは30％以上の投資収益率を生み出すだろう。[121]
この目標を達成するために、NRELは2022年にカドミウムテルル化物加速器コンソーシアム（CTAC）の運営を開始し、2025年までに薄膜効率24％以上、コスト20セント/ワット以下、続いて2030年までに効率26％以上、コスト15セント/ワット以下を実現することを目標としています。[122]
耐久性と寿命
単結晶モジュールと比較した薄膜太陽電池の大きな欠点の 1 つは、寿命が短いことですが、この問題の程度は材料によって異なり、一般的にはより確立された薄膜材料の方が寿命が長くなります。単結晶シリコンパネルの標準寿命は通常 30 年とされており[79]、性能低下率は年間約 0.5% です。[123]アモルファスシリコン薄膜は、同等のセル寿命を持つ傾向があります[79]が、性能低下率はわずかに高く、年間約 1% です。[123] CIGS や CIS などのカルコゲニド技術は、20～30 年の同様の寿命を持つ傾向があり[34] [63]、性能低下率は年間 1% 強です。[123]新興技術は寿命が短くなる傾向があります。有機太陽電池の寿命は、2016年には最大7年、平均5年と報告されていましたが[67] 、 2020年現在では典型的な寿命は15〜20年に延びています。[124]同様に、色素増感セルの寿命は2007年に最大10年と報告されていましたが[34] 、 2020年現在では典型的な寿命は15〜30年に延びています。 [124]ペロブスカイトセルは寿命が短い傾向があり、2016年現在では5年が典型的な寿命です。 [68]量子ドット太陽電池の寿命は開発中であるため不明ですが、寿命が25年に達すると予測する人もいれば[34]、現実的な寿命を1〜10年としている人もいます。[124]
一部の薄膜モジュールは、さまざまな条件下での劣化の問題もあります。ほぼすべての太陽電池は、動作温度の妥当な範囲で温度が上昇すると性能が低下します。確立された薄膜材料は温度依存の性能低下が小さく、アモルファスシリコンは単結晶シリコンよりもわずかに耐性が高く、CIGSはアモルファスシリコンよりも耐性が高く、CdTeは温度による性能低下に対する耐性が最も優れています。[80]色素増感太陽電池は動作温度に特に敏感で、高温では電解液が漏れ、低温では凍結してセルが動作しなくなる可能性があります。ペロブスカイトセルも高温で不安定になる傾向があり、デバイスの動作に影響を与える構造変化を起こすことさえあります。[64]温度による劣化に加えて、アモルファスシリコンパネルは光による劣化も経験します。有機太陽電池ではさらに大きな程度で光による劣化が起こります。 [123] [64]量子ドットセルは湿気や紫外線にさらされると劣化します。同様に、ペロブスカイトセルは化学的に不安定で、高温、光、湿気、紫外線にさらされると劣化します。[64]有機セルも一般的にはやや不安定であると考えられていますが、[64]有機セルの耐久性は向上しており、2022年現在、500回広げても性能に大きな低下がない柔軟な有機セルが開発されています。[125]他の薄膜材料とは異なり、CdTeは温度や湿度などの環境条件に対してかなり耐性がある傾向がありますが、柔軟なCdTeパネルは、応力やひずみが加わると性能が低下する可能性があります。[64]
環境と健康への影響
国際的な再生可能エネルギー目標を達成するためには、世界の太陽光発電容量を大幅に増やす必要があります。たとえば、 2050年までに全世界で4674GWの太陽光発電容量を設置するという国際エネルギー機関の目標に追いつくには、2022年時点で全世界に設置されている1185GWから大幅に拡大する必要があります。 [126]薄膜太陽電池はより効率的で商業的に実行可能になったため、これらの目標を達成する上で重要な役割を果たすことが明らかになっています。そのため、既存の技術を比較し、開発中の技術における主要な改善領域を特定するために、累積的な環境影響を理解することがますます重要になっています。たとえば、既存のソーラーモジュールと比較して比較的短いデバイス寿命の影響を評価し、効率の向上またはデバイス寿命の延長が技術の全体的な環境影響に大きな影響を与えるかどうかを確認します。温室効果ガス（GHG）排出量などの重要な要因以外にも、多くの太陽電池技術で使用されているカドミウムなどの潜在的に有毒な物質の環境および健康への影響について疑問が提起されています。多くの科学者や環境保護論者は、これらの疑問を解決する方法としてライフサイクル分析を利用してきました。[77]
ライフサイクル分析
ライフサイクル分析 (LCA) は、原材料の収集と製造プロセスから製品および廃棄物の処分に至るまで、製品またはプロセスの全体的な環境影響を客観的に評価しようとする一連のアプローチです。LCA アプローチは偏りのないことを目指していますが、LCA 研究の結果は、使用される特定のアプローチとデータに左右される可能性があります。したがって、LCA の結果では、どのプロセスが含まれ、どのプロセスが除外されるかという仮定を明確に示すことが重要です。これは、多くの場合、システム境界とライフサイクル インベントリ フレームワークを使用して指定されます。新しい太陽光発電技術は出現しつつあるため、不確実性が高いため、廃棄プロセスがライフサイクル分析から除外されることがあります。この場合、計算された影響が製品のライフサイクル全体をカバーしないため、評価は「ゆりかごから墓場まで」ではなく「ゆりかごから門まで」と呼ばれます。ただし、このような研究では、廃棄プロセスによる重要な環境影響(マイナスの影響 (使用済みセルおよび廃棄物の焼却の場合など) とプラスの影響 (リサイクルの場合など) の両方) が見逃される可能性があります。また、輸送、設置、メンテナンスなどのバランス・オブ・サービス（BOS）ステップの影響も考慮することが重要です。これらのステップも材料や電気の面でコストがかかる可能性があるからです。[77]
LCA研究は、土地利用から輸送関連の排出物まで、多くの潜在的な環境影響を定量化するために使用できます。環境影響のカテゴリーは、標準化された定量的比較のために、いわゆる影響係数にグループ化される場合があります。太陽電池の場合、おそらく最も重要な影響係数は、生涯にわたる温室効果ガス（GHG）の総排出量です。これは、環境への影響をより直接的に示す地球温暖化係数（ GWP）で報告されることが多いです。 [63]
環境への影響を測るもう 1 つの重要な指標は、特定の太陽電池を製造するために必要なエネルギー (通常は電気) を測定する一次エネルギー需要 (PED) です。より有用な指標は、特定の製品の全寿命期間にわたって製造、使用、廃棄に必要なエネルギーの総量を定量化する累積エネルギー需要 (CED) です。これに関連して、エネルギー回収時間(EPBT) は、太陽電池が累積エネルギー需要を満たすのに十分なエネルギーを生成するのに必要な動作時間を測定します。同様に、炭素回収時間 (CPBT) は、通常のエネルギー ミックスで生成される同じ量の電力から回避される炭素排出量が、太陽電池が寿命中に生成する炭素排出量と等しくなるように、太陽電池が十分な電力を生成するのに必要な動作時間を測定します。言い換えると、CPBT は、太陽電池が自身の炭素排出量を軽減するために動作する必要がある時間を測定しま す。[67]
これらの量は、太陽電池が製造され、配備される場所など、多くの要因に依存します。これは、典型的なエネルギーミックスが場所によって異なるためです。したがって、製造プロセスからの電力関連の排出量と、太陽電池の動作中に太陽光発電によって回避される電力関連の排出量は、特定のモジュールとアプリケーションによって異なる場合があります。セルからの排出量は、モジュールの配備方法によっても異なります。これは、取り付けハードウェアの製造に関連する原材料とエネルギーコストだけでなく、太陽電池パネルが屋根瓦などの建築材料に取って代わる建物一体型太陽光発電の場合のように、置き換えられた建築材料からの回避された排出量によっても異なります。[79]
エネルギー使用量と排出量に関連する影響は、技術の評価と比較に不可欠ですが、太陽電池の環境影響を評価するための重要な量はそれだけではありません。その他の重要な影響要因には、有毒な重金属の排出、金属の枯渇、人体への毒性、さまざまな生態毒性（海洋、淡水、陸生）、硫黄酸化物と窒素酸化物の排出を測定する酸性化の可能性などがあります。 [67] [34]ライフサイクル分析に幅広い環境影響を含めることは、環境影響が温室効果ガス排出のような顕著な影響要因から、それほど顕著ではないが依然として関連性のある影響要因である人体への毒性に移る可能性を最小限に抑えるために不可欠です。[77]
温室効果ガスの排出
確立された第一世代の単結晶シリコン太陽電池をベンチマークとして使用すると、一部の薄膜太陽電池はほとんどの影響要因で環境への影響が低い傾向がありますが、効率が低く寿命が短いため、新興技術の環境への影響は第一世代のセルよりも大きくなる可能性があります。温室効果ガス排出量の標準化された測定値は、さまざまな薄膜材料のキロワット時あたりの電力生産量あたりのCO2換算排出量のグラム単位でグラフに表示されます。[ 34] [79] [124]比較のために結晶シリコンも含まれています。
温室効果ガスの排出量だけを見ると、最も普及している2つの薄膜技術であるアモルファスシリコンとCdTeは、どちらも単結晶シリコン太陽電池に比べて地球温暖化係数（GWP）が大幅に低く、アモルファスシリコンパネルのGWPは約1/3低く、CdTeはほぼ1/2低くなっています。[68] [79]有機太陽光発電は、すべての薄膜PV技術の中で最もGWPが小さく、単結晶シリコンよりも60％以上GWPが低くなっています。[67]
しかし、これはすべての薄膜材料に当てはまるわけではありません。多くの新興技術では、効率の低さとデバイス寿命の短さが環境への影響を大幅に増加させる可能性があります。新興のカルコゲニド技術と、CISやCIGSなどの確立されたカルコゲニド技術は、色素増感太陽電池や量子ドット太陽電池と同様に、単結晶シリコンよりも地球温暖化係数が高くなっています。製造プロセスで毒性の少ない材料を使用できるアンチモンベースのカルコゲニドセルの場合、効率が低く、したがって太陽電池に必要な面積が広いことが環境影響増加の原動力であり、効率がわずかに改善されたセルは、関連するすべての環境影響要因で単結晶シリコンを上回る可能性があります。したがって、これらのセルやその他の新興カルコゲニドセルの効率を改善することが優先されます。[63]これらの材料は単一の光子から複数の励起子生成（MEG）を示す可能性があるにもかかわらず、実現された効率の低さは、量子ドット太陽電池のGWPが比較的大きい原動力でもあります。効率が高まれば、より薄い活性層の使用も可能となり、量子ドット自体の材料コストが削減され、カプセル化材料に関連する材料と排出量も節約される。この可能性を実現し、効率を高めることは、これらのセルの環境への影響を減らすための優先事項でもある。[34]
有機太陽電池の場合、寿命の短さがGWPの推進要因となっている。他の太陽光発電技術と比較してOPVの全体的な性能は優れているものの、ゆりかごから墓場までではなく、ゆりかごからゲートまで（つまり、太陽電池の耐用年数を差し引いて、材料の抽出と製造プロセスのみを考慮する）を考慮すると、OPVのGWPは単結晶シリコンと比較して97％、アモルファスシリコン薄膜と比較して92％のGHG排出量削減をもたらす。これは、現在実現されている単結晶シリコンと比較して60％の削減よりも大幅に優れているため、OPVセルの寿命を延ばすことは、全体的な環境影響を減らすための優先事項である。[67]寿命がわずか5年程度と短いペロブスカイト太陽電池の場合、この効果はさらに大きくなる可能性がある。ペロブスカイト太陽電池（グラフには含まれていない）は、通常、ゆりかごから墓場までのLCAでは他の薄膜材料よりも地球温暖化係数が大幅に高く、150g CO 2-eq /kWhで単結晶シリコンよりも約5〜8倍悪い。しかし、グレードツーゲートLCAでは、ペロブスカイトセルは単結晶シリコンよりも10〜30％低いパフォーマンスを示し、この短い寿命のために単一の単結晶シリコンパネルと同じ量の電力を生成するために複数のペロブスカイトパネルを製造および廃棄する必要性に関連する環境影響の増加の重要性を浮き彫りにしている。したがって、ペロブスカイトソーラーモジュールの寿命を延ばすことは、環境影響を減らすための最優先事項である。[68]風力、原子力、水力などの他の再生可能エネルギー源は、一部のPV技術よりもGWPが小さい可能性がある。[34]
注目すべき重要な点は、新興の薄膜材料は地球温暖化係数の点では単結晶シリコンセルより優れているわけではないが、比較的クリーンな天然ガス（517g CO 2-eq /kWh）から最悪の汚染物質である褐炭（1100g CO 2-eq /kWh以上）まで、地球温暖化係数が幅広い非再生エネルギー源に比べると、はるかに炭素排出量が少ないということである。薄膜セルはまた、400～800g CO 2-eq /kWhの範囲であることが多い典型的なエネルギーミックスを大幅に上回る性能を発揮する。[79]
地球温暖化係数を含むほとんどの影響要因の最大の要因は、ほとんどの場合、製造プロセス中のエネルギー使用であり、輸送コストや材料調達などの他の潜在的な環境影響源を大幅に上回っています。[79]たとえば、CIGSセルの場合、これが地球温暖化係数の98％を占め、そのほとんどは吸収層の製造によるものです。[63]一般に、金属堆積を含むプロセスの場合、これは特に重要な環境影響ホットスポットであることがよくあります。[77]量子ドット太陽光発電の場合、製造プロセス中に使用される溶剤の有害廃棄物処理も大きな要因となっています。[34]電力使用に関連する地球温暖化係数のレベルは、製造が行われる場所、特に地域のエネルギーミックスで使用される再生可能エネルギー源と非再生可能エネルギー源の割合によって大きく異なる場合があります。[79]
エネルギー回収期間
一般的に、薄膜パネルは単結晶シリコンパネルよりも製造に必要なエネルギーが少なく、[79]特に、いくつかの新興薄膜技術は効率的で安価なロールツーロール処理の可能性を秘めているためです。[34]その結果、薄膜技術はエネルギー回収時間の点で単結晶シリコンよりも優れている傾向がありますが、アモルファスシリコンパネルは例外です。 薄膜セルは通常、単結晶太陽電池よりも効率が低いため、この効果は主にセルの製造に関連する一次エネルギー需要（PED）が比較的低いことに起因しています。
モジュールが使用される用途と材料のリサイクルプロセス（ある場合）も、セルの寿命全体にわたる全体的なエネルギー効率と温室効果ガスの排出量に大きな役割を果たす可能性があります。モジュールを建物の設計に統合すると、通常の建築材料の製造に関連する排出が回避されるため、セルの環境への影響が大幅に削減される可能性があります。たとえば、建物一体型ソーラールーフの屋根瓦製造からの排出が回避されます。[79]この効果は、軽量で柔軟な性質が建物一体型太陽光発電に自然に適している薄膜太陽電池にとって特に重要です。[77]ポータブル充電アプリケーションでは、排出量が 70～90% 削減されます。[67]この効果は他のいくつかのアプリケーションにも当てはまり、たとえば、有機太陽光発電は、ソーラーパネルアプリケーションで結晶シリコンよりも 55% 少ない排出量です。同様に、新しい材料を集めて処理するのではなく、太陽電池コンポーネントをリサイクルすることで排出が回避されるため、累積エネルギー消費量と温室効果ガス排出量が大幅に削減されます。単結晶太陽電池のいくつかの部品や、CdTe太陽電池のガラス基板、CdTe、CdSにはリサイクルプロセスが利用可能です。[124]リサイクルプロセスのないパネル、特に有機太陽電池のように寿命が短いパネルの場合、パネルの廃棄が環境への影響に大きく寄与する可能性があり、パネルを焼却しても埋め立てても環境影響要因にほとんど違いがない可能性があります。[67]
重金属の排出と人体への毒性
材料の選択と抽出は、製造プロセスにおける電力の使用がほぼ普遍的に最大の要因となっている地球温暖化の可能性に大きな役割を果たしていませんが、人体毒性、重金属排出、酸性化の可能性、金属とオゾン層の破壊など、その他の重要な環境影響要因に重大な影響を及ぼすことがよくあります。
人体への毒性と重金属の排出は、薄膜太陽電池の生産にとって特に重要な影響要因です。1990 年代に CdTe セルが商業市場に導入されて以来、カドミウムの使用による環境と健康への潜在的な影響が特に懸念されており、当時はカドミウム含有化合物の危険性が十分に理解されていませんでした。[127] CdTe 太陽電池に対する国民の懸念は、より一般的になった今でも続いています。[128]カドミウムは非常に危険な物質であり[129] 、腎臓、骨、肺に損傷を与え、がんの発症リスクを高めると考えられています。[130]当初、カドミウム含有化合物はすべて危険物として分類されていましたが、現在では、Cd と Te はどちらも個別に危険であるにもかかわらず、CdTe の組み合わせは化学的に非常に安定しており[25]、溶解度が低く、人体へのリスクは最小限であることがわかっています。[127]
原料のCdは、他の太陽電池でも頻繁に使用されるCdSや酢酸カドミウムなどの前駆物質と同様に、より大きなリスクを伴い、人体への毒性や重金属の排出などの環境影響要因に大きく寄与することが多い。[63]これらの影響は、QDPV用の量子ドットの製造など、溶液中にCdイオンを生成するナノファブリケーションプロセスでより顕著になる可能性がある。[34]これらの影響により、CdTe太陽電池の製造では、他の薄膜太陽電池の製造よりも重金属の排出が少ないことが実際に確認されている。実際、CdTeの製造では、リボンシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン、または量子ドットPVの製造よりもカドミウムの排出が少なく、ニッケル、水銀、ヒ素、クロム、鉛の排出も少ない。[34]重金属の総排出量に関しては、量子ドットPVはPV材料の排出量が最も高く、約0.01mg/kWhですが、グラフに示すように、他の再生可能または非再生可能な電源よりも重金属の総排出量は低くなっています。
カドミウムやCdTe太陽電池の安全性に関する懸念を軽減したいという要望から、特にアンチモンベースのカルコゲニドなど、毒性のない、または毒性の低い他のカルコゲニドPV材料の開発が促進されました。これらの新興カルコゲニドセルでは、CdSの使用が人体毒性や金属枯渇などの影響要因に最も大きく寄与していますが、ステンレス鋼もこれらの材料やその他のPV材料の影響に大きく寄与しています。たとえば、CIGSセルでは、ステンレス鋼はセル製造に関連する全毒性の80％を占め、オゾン層の破壊にも大きく寄与しています。[63]
PV製造にとって興味深いもう一つの潜在的影響要因は酸性化ポテンシャルであり、これは土壌、淡水、海洋の酸性化に寄与し、環境に悪影響を及ぼす硫黄酸化物と窒素酸化物の排出量を定量化するものである。この点ではQDPVの排出量が最も低く、CdTeが僅差で2位となっている。[34]
参照
参考文献
- ^ ab 「Best Research-Cell Efficiency Chart」。www.nrel.gov 。 2023年4月5日閲覧。
- ^ ab 「PHOTOVOLTAICS REPORT」（PDF）。フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所、ISE。
- ^ ab Feldman, David; Dummit, Krysta; Jarett, Zuboy; Margolis, Robert (2022年7月12日). 「2022年夏の太陽光発電業界の最新情報」(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所。
- ^ Madou, Marc J. (2011). MEMS からバイオ MEMS およびバイオ NEMS へ: 製造技術とアプリケーション。CRC Press。p. 246。ISBN 9781439895245。
- ^ 「2000年のノーベル物理学賞」NobelPrize.org . 2023年3月27日閲覧。
- ^ “歴史”. Institute of Energy Conversion . 2023年3月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年3月26日閲覧。
- ^ 「Karl Wolfgang Böer papers | Manuscript and Archival Collection Finding Aids」. library.udel.edu . 2023年3月27日閲覧。
- ^ Landis, Geoffrey A.; Bailey, Sheila G.; Flood, Dennis J. (1989 年 6 月 5 日)。「軽量宇宙太陽光発電用薄膜太陽電池の進歩」(PDF)。NASA技術レポート サーバー (NTRS)。アメリカ航空宇宙局 (NASA)、ルイス研究センター。
- ^ Wallace, WL; Sabisky, ES (1986 年 8 月)。「米国における政府支援によるアモルファス シリコン研究の現状と将来」(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)。
- ^ 「太陽光発電の歴史」（PDF）。米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局。 2021年9月11日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2023年3月26日閲覧。
- ^ Watts, RL; Smith, SA; Dirks, JA (1985年4月). 「1984年までの太陽光発電産業の進歩」(PDF) .米国エネルギー省科学技術情報局. doi : 10.2172/5685828 . 2023年3月26日閲覧。
{{cite journal}}:不明なパラメータ|agency=は無視されました (ヘルプ) - ^ abc 「太陽光発電の歴史」（PDF）。米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局。 2021年9月11日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF）。2023年3月26日閲覧。
- ^ 「世界で最も効率的な太陽電池」www.nrel.gov 。 2023年3月27日閲覧。
- ^ 「4 times square building - 統合型太陽光発電システム」（PDF） . Kiss + Cathcart、Architects . 2023年3月26日閲覧。
- ^ バウハウス、ジョージア州;モルダー、P.シャーマー、JJ;ジョージア州ハベカンプ。ディーレン、J. ヴァン。 PK 州ラーセン (2005)。 「放射線耐性が向上した高効率薄膜GaAs太陽電池」。第 20 回欧州太陽光発電会議: 468–471。
- ^ ab Kamat, Prashant V. (2008年10月18日). 「量子ドット太陽電池。光収穫装置としての半導体ナノ結晶」。Journal of Physical Chemistry C。112 ( 48): 18737–18753。doi :10.1021/jp806791s。
- ^ O'Regan, Brian; Grätzel, Michael (1991 年 10 月). 「色素増感コロイド TiO2 フィルムに基づく低コスト、高効率太陽電池」 . Nature . 353 (6346): 737–740. Bibcode :1991Natur.353..737O. doi :10.1038/353737a0. ISSN 1476-4687. S2CID 4340159.
- ^ 「量子ドットは太陽電池の効率を大幅に向上させる可能性がある」(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)。2013 年 8 月。
- ^ 小島章裕;手島健次郎；白井康雄；宮坂勉（2009年5月6日）。「太陽電池用の可視光増感剤としての有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト」。アメリカ化学会誌。131 (17): 6050–6051。土井：10.1021/ja809598r。ISSN 1520-5126。PMID 19366264。
- ^ 論説、BCCリサーチ。「ペロブスカイト太陽電池の歴史」。blog.bccresearch.com 。 2023年3月28日閲覧。
- ^ Lee, Brendon (2015年6月10日). 「印刷太陽電池は、照明のない農村地域に期待できる - アジア太平洋地域」SciDevNet . 2022年4月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「石鹸の泡と同じくらい軽い太陽電池」。MITニュース | マサチューセッツ工科大学。2016年2月26日。 2023年3月27日閲覧。
- ^ ab 「紙のように薄い太陽電池は、あらゆる表面を電源に変えることができる」。MITニュース | マサチューセッツ工科大学。2022年12月9日。 2023年3月27日閲覧。
- ^ Saravanapavanantham, Mayuran; Mwaura, Jeremiah; Bulović, Vladimir (2022年12月9日). 「転写可能な超薄基板上に印刷された有機太陽光発電モジュールを付加的な電源として」。Small Methods . 7 (1): 2200940. doi : 10.1002/smtd.202200940 . ISSN 2366-9608. PMID 36482828. S2CID 254524625.
- ^ abc 「PHOTOVOLTAICS REPORT」（PDF）。フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所、ISE。
- ^ "photovoltaics-report-slides.pdf" (PDF) . FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISE. 2013年11月7日. 2014年7月25日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ。
- ^ フェルドマン、デイビッド、ダミット、クリスタ、ジャレット、ズボーイ、マーゴリス、ロバート（2022年7月12日）。「2022年夏の太陽光発電業界の最新情報」（PDF）。国立再生可能エネルギー研究所。
- ^ 「PVセル101、パート2：太陽光発電セルの研究の方向性」Energy.gov 。 2023年4月5日閲覧。
- ^ 「光起電効果 | PVEducation」www.pveducation.org . 2023年4月5日閲覧。
- ^ Kangsabanik, Jiban; Svendsen, Mark Kamper; Taghizadeh, Alireza; Crovetto, Andrea; Thygesen, Kristian S. (2022年11月2日). 「薄膜太陽光発電用間接バンドギャップ半導体：フォノン支援吸収の高スループット計算」. Journal of the American Chemical Society . 144 (43): 19872–19883. arXiv : 2207.09569 . doi :10.1021/jacs.2c07567. ISSN 0002-7863. PMID 36270007. S2CID 250699345.
- ^ Pearce, J.; Lau, A. (2002). 「シリコンベースの太陽電池による持続可能なエネルギー生産のための純エネルギー分析」(PDF) .太陽エネルギー. pp. 181–186. doi :10.1115/SED2002-1051. ISBN 978-0-7918-1689-9。
- ^ 市場リーダーのデータシート:薄膜についてはファーストソーラー、結晶シリコンについてはサンテックとサンパワー
- ^ abc 「太陽光発電レポート」(PDF)。Fraunhofer ISE。2014年7月28日。2014年8月9日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2014年8月31日閲覧。
- ^ abcdefghijklmnopqr Şengül, Hatice; Theis, Thomas L. (2011年1月1日). 「量子ドット太陽光発電（QDPV）の原材料取得から使用までの環境影響評価」Journal of Cleaner Production . 19 (1): 21–31. doi :10.1016/j.jclepro.2010.08.010. ISSN 0959-6526.
- ^ ファーストソーラーシリーズ6データシート、2021年3月5日
- ^ Fthenakis, Vasilis M. (2004). 「CdTe PV 生産におけるカドミウムのライフサイクル影響分析」(PDF) .再生可能エネルギーと持続可能なエネルギーレビュー. 8 (4): 303–334. doi :10.1016/j.rser.2003.12.001. 2014 年 5 月 8 日時点のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
- ^ Werner, Jürgen H. (2011 年 11 月 2 日). 「太陽光発電モジュールの有毒物質」(PDF) . postfreemarket.net . ドイツ、シュトゥットガルト大学太陽光発電研究所 – 第 21 回国際太陽光発電科学技術会議 2011 福岡、日本。p. 2。2014年 12 月 21 日時点のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2014 年9 月 23 日閲覧。
- ^ 「First Solar の CdTe 薄膜の安全性に関する実情」www.greentechmedia.com。
- ^ 「カドミウム：薄膜のダークサイド？ – Old GigaOm」. old.gigaom.com .
- ^ 「供給制約分析、国立再生可能エネルギー研究所」。
- ^ Green, MA; et al. (2023). 「太陽電池効率表（バージョン62）」. Progress in Photovoltaics . 31 (7): 651–663. doi : 10.1002/pip.3726 .
- ^ 「プレスリリース」(PDF) .アヴァンシス社
- ^ “フレキシブルな Solarzellen mit Rekordwirkungsgrad von 22,2%”.エンパ。
- ^ 「大面積フレキシブルPVモジュールはc-Siと同等の性能を示す」MiaSolé。
- ^ 「太陽光発電レポート」（PDF）。フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（ISE）。
- ^ ウィッテ、W.他。 （2014年）。 「CIGS薄膜太陽電池におけるCdSバッファ層の置換」。Forschung und Praxis の真空。26：23～27。土井：10.1002/vipr.201400546。
- ^ Shin, MJ; et al. (2021). 「前面と背面に透明導電性酸化物接点を備えた半透明超薄型Cu(In,Ga)Se 2太陽電池の両面光起電性能」。応用表面科学。535 : 147732。Bibcode :2021ApSS..53547732S。doi :10.1016/j.apsusc.2020.147732 。
- ^ ab 「CIGS ホワイトペーパー」(PDF)。ゾンネンエネルギーとヴァッサーシュトフ フォルシュング バーデン ヴュルテンベルク州 (ZSW)。
- ^ ab Green, MA (2003)、「結晶および薄膜シリコン太陽電池：最新技術と将来の可能性」、Solar Energy、74 (3): 181–192、Bibcode :2003SoEn...74..181G、doi :10.1016/S0038-092X(03)00187-7。
- ^ Photovoltaics. Engineering.Com (2007年7月9日). 2011年1月19日閲覧。
- ^ 「Amorphes Silizium für Solarzellen」(PDF) (ドイツ語)。
- ^ Arvind Shah 他 (2003):微結晶シリコンとマイクロモルフタンデム太陽電池。太陽エネルギー材料と太陽電池、78、pp. 469-491
- ^ 「新記録を破るPVモジュール効率が達成されました」。TEL Solarウェブサイト。TEL Solar 。 2014年7月14日閲覧。
- ^ JM Pearce、N. Podraza、RW Collins、MM Al-Jassim、KM Jones、J. Deng & CR Wronski (2007)。「低ナノ結晶含有量の混合相（アモルファス + ナノ結晶）p型コンタクトを備えたアモルファスシリコン太陽電池の開放電圧の最適化」（PDF）。Journal of Applied Physics。101（11）：114301–114301–7。Bibcode ： 2007JAP ...101k4301P。doi ：10.1063/1.2714507。 2011年6月14日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2009年6月12日閲覧。
- ^ Pearce, JM; Podraza, N.; Collins, RW; Al-Jassim, MM; Jones, KM; Deng, J.; Wronski, CR (2007). 「低ナノ結晶含有量の混合相（アモルファス+ナノ結晶）p型接点を備えたアモルファスシリコン太陽電池の開回路電圧の最適化」（PDF）。Journal of Applied Physics。101 (11): 114301–114301–7。Bibcode :2007JAP...101k4301P。doi :10.1063/1.2714507。 2011年6月14日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2009年6月12日閲覧。
- ^ 「GaAs太陽電池」。sinovoltaics.com 。 2020年11月18日閲覧。
- ^ Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Yoshita, Masahiro; Ho-Baillie, Anita WY (2019). 「太陽電池効率表（バージョン53）」。太陽光発電の進歩：研究と応用。27 （1）：3–12。doi ：10.1002 / pip.3102。ISSN 1099-159X。S2CID 104439991 。
- ^ Nayak, Pabitra K.; Mahesh, Suhas; Snaith, Henry J.; Cahen, David (2019). 「光起電力太陽電池技術：最先端技術の分析」. Nature Reviews Materials . 4 (4): 269–285. Bibcode :2019NatRM...4..269N. doi :10.1038/s41578-019-0097-0. ISSN 2058-8437. S2CID 141233525.
- ^ ab Massiot, Inès; Cattoni, Andrea; Collin, Stéphane (2020年11月2日). 「極薄太陽電池の進歩と展望」(PDF) . Nature Energy . 5 (12): 959–972. Bibcode :2020NatEn...5..959M. doi :10.1038/s41560-020-00714-4. ISSN 2058-7546. S2CID 228814810.
- ^ 小長井誠、杉本光則、高橋潔（1978年12月1日）。「剥離膜技術による高効率GaAs薄膜太陽電池」Journal of Crystal Growth。45：277–280。Bibcode ： 1978JCrGr..45..277K。doi ： 10.1016 /0022-0248( 78 )90449-9。ISSN 0022-0248。
- ^ Cheng, Cheng-Wei; Shiu, Kuen-Ting; Li, Ning; Han, Shu-Jen; Shi, Leathen; Sadana, Devendra K. (2013 年 3 月 12 日). 「ガリウムヒ素基板の再利用とフレキシブル エレクトロニクスのためのエピタキシャル リフトオフ プロセス」. Nature Communications . 4 (1): 1577. Bibcode :2013NatCo...4.1577C. doi : 10.1038/ncomms2583 . ISSN 2041-1723. PMID 23481385.
- ^ abcd エファズ、エルテザ・タウシフ;ラーマン、メガヌール医師。イマーム、サファヤット・アル。バシャール、カンダケル・ルババ。カビール、ファフミド。ムルタザ、メリーランド州エハサン。サキブ、サイード・ナズムス。 FA、モザヒド（2021年9月23日）。 「薄膜太陽電池の要素技術の概説」エンジニアリングリサーチエクスプレス。3 (3): 032001。ビブコード:2021ERExp...3c2001E。土井：10.1088/2631-8695/ac2353。ISSN 2631-8695。S2CID 237613178。
- ^ abcdefghij レサラティ、シャハボディン;オコロアフォル、トベチ。マルーフ、アマニ。サウセド、エドガルド。プラシディ、マルセル（2022年5月1日）。 「さまざまなカルコゲニド薄膜太陽電池のライフサイクル評価」。応用エネルギー。313 : 118888。ビブコード:2022ApEn..31318888R。土井：10.1016/j.apenergy.2022.118888。hdl : 2117/370823。ISSN 0306-2619。S2CID 247433824。
- ^ abcdefghij シヴァラージ、サントシュ;ラタナサミ、ラジャセカール。カリヤンナン、ゴビナート・ベル。パンチャル、ヒテシュ。ジャワド・アルバイエ、アリ。ムサ・ジャベル、ムスタファ。ザファールは言った。メモン、サイム（2022年11月19日）。 「薄膜太陽電池の現在のパフォーマンス、課題、進歩に関する包括的なレビュー」(PDF)。エネルギー。15 (22): 8688.土井: 10.3390/en15228688。ISSN 1996-1073。
- ^ Grätzel, Michael (2003年10月31日). 「色素増感太陽電池」. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews . 4 (2): 145–153. CiteSeerX 10.1.1.687.8125 . doi :10.1016/S1389-5567(03)00026-1. ISSN 1389-5567.
- ^ abcd 「Best Research-Cell Efficiency Chart」。www.nrel.gov 。 2023年4月6日閲覧。
- ^ abcdefghijk Tsang, Michael P.; Sonnemann, Guido W.; Bassani, Dario M. (2016年11月1日). 「従来の技術と比較した有機光起電性ソーラーパネルのゆりかごから墓場までのライフサイクル評価と環境影響」.太陽エネルギー材料と太陽電池. 太陽技術のライフサイクル、環境、生態学、影響分析. 156 : 37–48. doi :10.1016/j.solmat.2016.04.024. ISSN 0927-0248.
- ^ abcdefgh Celik, Ilke; Song, Zhaoning; Cimaroli, Alexander J.; Yan, Yanfa; Heben, Michael J.; Apul, Defne (2016 年 11 月 1 日)。「ラボからファブへ移行するペロブスカイト PV セルのライフ サイクル アセスメント (LCA)」。太陽エネルギー材料と太陽電池。太陽光技術のライフ サイクル、環境、生態学、影響分析。156 : 157–169。doi : 10.1016 / j.solmat.2016.04.037。ISSN 0927-0248 。
- ^ 「安定したコスト削減型の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。
- ^ 「スプレー堆積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。
- ^ 「ペロブスカイト太陽電池」Ossila 2015年8月4日閲覧。
- ^ Huang, Xinjing; Fan, Dejiu; Li, Yongxi; Forrest, Stephen R. (2022年7月20日). 「プロトタイプの半透明有機太陽光発電モジュールのマルチレベルピールオフパターン形成」. Joule . 6 (7): 1581–1589. doi : 10.1016/j.joule.2022.06.015 . ISSN 2542-4785. OSTI 1878096. S2CID 250541919.
- 一般向け要約：「窓ほどの大きさの半透明太陽電池の製造に向けて」ミシガン大学。2022年8月31日閲覧。
- ^ 「窓用透明ソーラーパネル、記録的な8%の効率を達成」ミシガン大学ニュース。2020年8月17日。 2022年8月23日閲覧。
- ^ Li, Yongxi; Guo, Xia; Peng, Zhengxing; Qu, Boning; Yan, Hongping; Ade, Harald; Zhang, Maojie; Forrest, Stephen R. (2020年9月). 「パワーウィンドウアプリケーション向けの色中立半透明有機太陽光発電」。米国科学アカデミー 紀要。117 ( 35): 21147–21154。Bibcode : 2020PNAS..11721147L。doi : 10.1073 / pnas.2007799117。ISSN 0027-8424。PMC 7474591。PMID 32817532。
- ^ 「研究者らが2D原子シートで透明度の高い太陽電池を作製」東北大学. 2022年8月23日閲覧。
- ^ He, Xing; Iwamoto, Yuta; Kaneko, Toshiro; Kato, Toshiaki (2022年7月4日). 「単層WS2によるほぼ目に見えない太陽電池の製造」. Scientific Reports . 12 (1): 11315. Bibcode :2022NatSR..1211315H. doi : 10.1038/s41598-022-15352-x . ISSN 2045-2322. PMC 9253307. PMID 35787666 .
- ^ abcdef Chatzisideris, Marios D.; Espinosa, Nieves; Laurent, Alexis; Krebs, Frederik C. (2016 年 11 月 1 日)。「薄膜太陽光発電技術のエコデザインの視点: ライフサイクル評価研究のレビュー」( PDF )。太陽エネルギー材料と太陽電池。太陽技術のライフサイクル、環境、生態学、影響分析。156 : 2–10。doi :10.1016/j.solmat.2016.05.048。ISSN 0927-0248。S2CID 99033877 。
- ^ 「4 times square building - 統合型太陽光発電システム」（PDF） . Kiss + Cathcart、Architects . 2023年3月26日閲覧。
- ^ abcdefghijklm Kittner, Noah; Gheewala, Shabbir H.; Kamens, Richard M. (2013年12月1日). 「タイにおける単結晶およびアモルファスシリコン薄膜太陽光発電システムの環境ライフサイクル比較」.持続可能な開発のためのエネルギー. 17 (6): 605–614. Bibcode :2013ESusD..17..605K. doi :10.1016/j.esd.2013.09.003. ISSN 0973-0826.
- ^ ab エファズ、エルテザ・タウシフ;ラーマン、メガヌール医師。イマーム、サファヤット・アル。バシャール、カンダケル・ルババ。カビール、ファフミド。ムルタザ、メリーランド州エハサン。サキブ、サイード・ナズムス。 FA、モザヒド（2021年9月1日）。 「薄膜太陽電池の要素技術の概説」エンジニアリングリサーチエクスプレス。3 (3): 032001。ビブコード:2021ERExp...3c2001E。土井：10.1088/2631-8695/ac2353。ISSN 2631-8695。S2CID 237613178。
- ^ Casey, Tina (2014年2月27日). 「First Solar が薄膜太陽電池の新たな効率記録を達成」CleanTechnica .
- ^ 「パナソニックHIT太陽電池が世界効率記録を樹立」2014年4月19日。
- ^ 「ソーラーフロンティアが薄膜太陽電池の効率22.3%の世界記録を達成 – Renew Indiaキャンペーン – 太陽光発電、インドの太陽光ニュース、インドの風力ニュース、インドの風力市場」www.renewindians.com 。 2015年12月14日閲覧。
- ^ Lindholm; Fossum, JG; Burgess, EL (1979). 「重ね合わせ原理の太陽電池解析への応用」 . IEEE Transactions on Electron Devices . 26 (3): 165–171. doi :10.1109/T-ED.1979.19400. ISSN 0018-9383. S2CID 25916176.
- ^ 「量子効率 | PVEducation」www.pveducation.org . 2023年4月5日閲覧。
- ^ Xu, Yunlu; Gong, Tao; Munday, Jeremy N. (2015 年 9 月 2 日). 「ナノ構造太陽電池の一般化された Shockley-Queisser 限界」. Scientific Reports . 5 (1): 13536. arXiv : 1412.1136 . Bibcode :2015NatSR...513536X. doi :10.1038/srep13536. ISSN 2045-2322. PMC 4557037. PMID 26329479. S2CID 17029239 .
- ^ 国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) (2005 年 2 月)。「PV に関する FAQ: 集光型 PV の最新情報」(PDF)。国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)。
- ^ Widenborg, Per I.; Aberle, Armin G. (2007). 「AIT テクスチャ ガラス スーパーストレート上の多結晶シリコン薄膜太陽電池」(PDF) . Advances in OptoElectronics . 2007 : 1–7. doi : 10.1155/2007/24584 .
- ^ 「再生可能エネルギー源」www.customwritingtips.com。2013年2月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Xu, Zhida; Yao, Yuan; Brueckner, Eric; Li, Lanfang; Jiang, Jing; Nuzzo, Ralph G.; Liu, Logan (2014). 「ブロードバンドおよび全方向光トラッピング用のナノコーン構造を統合したブラックシリコンソーラー薄膜マイクロセル」. Nanotechnology . 25 (30): 305301. arXiv : 1406.1729 . Bibcode :2014Nanot..25D5301X. doi :10.1088/0957-4484/25/30/305301. PMID 25006119. S2CID 206069610.
- ^ メンデス、マヌエル J.;サンチェス・ソブラド、オララ。ハケ、シラズル。マテウス、ティアゴ。アグアス、ヒューゴ。フォルトゥナート、エルビラ。マルティンス、ロドリゴ（2020年1月1日）、エンリチ、フランチェスコ。 Righini、Giancarlo C. (編)、「第 9 章 - シリコンおよびペロブスカイト薄膜太陽電池上の波動光学フロント構造」、Solar Cells and Light Management、Elsevier、pp. 315–354、ISBN 978-0-08-102762-2、 2023年3月10日閲覧
- ^ シュスター、クリスチャン・ステファノ; クルピ、イソディアナ; ハルメ、ヤンネ; コチ、メフメット; メンデス、マヌエル・ジョアン; ピーターズ、イアン・マリウス; イェルチ、セルチュク（2022）、ラックナー、マクシミリアン; サジャディ、バハラク; チェン、ウェイイン（編）、「スマート照明管理技術による太陽光発電の強化」、気候変動緩和と適応ハンドブック、チャム：シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング、pp. 1165–1248、doi：10.1007/978-3-030-72579-2_112、ISBN 978-3-030-72579-2、 2023年3月10日閲覧
- ^ Wu, Jiang; Yu, Peng; Susha, Andrei S.; Sablon, Kimberly A.; Chen, Haiyuan; Zhou, Zhihua; Li, Handong; Ji, Haining; Niu, Xiaobin (2015 年 4 月 1 日)。「マルチスパイク プラズモニック ナノスターと結合した量子ドット太陽電池の広帯域効率の向上」。Nano Energy。13 : 827–835。doi : 10.1016 / j.nanoen.2015.02.012。S2CID 98282021。
- ^ Yu, Peng; Yao, Yisen; Wu, Jiang; Niu, Xiaobin; Rogach, Andrey L.; Wang, Zhiming (2017 年 8 月 9 日)。「プラズモニック金属コア - 誘電体シェルナノ粒子による薄膜太陽電池の広帯域光吸収増強への影響」。Scientific Reports。7 ( 1 ) : 7696。Bibcode : 2017NatSR...7.7696Y。doi : 10.1038 / s41598-017-08077-9。ISSN 2045-2322。PMC 5550503。PMID 28794487。
- ^ モラヴィエツ、セウェリン;メンデス、マヌエル J.フィロノビッチ、セルゲイA.マテウス、ティアゴ。ミラベラ、サルヴァトーレ。アグアス、ヒューゴ。フェレイラ、イザベル。シモーネ、フランチェスカ。フォルトゥナート、エルビラ。マルティンス、ロドリゴ。プリオーロ、フランチェスコ。イソディアナ州クルピ（2014年6月30日）。 「プラズモニック背面反射板を備えた a-Si:H 太陽電池における広帯域光電流の強化」。オプティクスエクスプレス。22 (S4)：A1059-70。Bibcode :2014OExpr..22A1059M。土井：10.1364/OE.22.0A1059。hdl : 10362/35672。ISSN 1094-4087。PMID 24978069。
- ^ Mendes, Manuel J.; Morawiec, Seweryn; Mateus, Tiago; Lyubchyk, Andriy; Águas, Hugo; Ferreira, Isabel; Fortunato, Elvira; Martins, Rodrigo; Priolo, Francesco; Crupi, Isodiana (2015 年 3 月 11 日)。 「自己組織化プラズモニック ナノコロイドによる薄膜太陽電池の広帯域光トラッピング」。ナノテクノロジー。26 (13): 135202。Bibcode :2015Nanot..26m5202M。doi : 10.1088/ 0957-4484 / 26 /13/135202。ISSN 0957-4484。PMID 25760231。S2CID 24473789 。
- ^ Terry, Mason L.; Straub, Axel; Inns, Daniel; Song, Dengyuan; Aberle, Armin G. (2005). 「ガラス上の蒸発固相結晶化薄膜シリコン太陽電池の急速熱アニーリングによる開放電圧の大幅な向上」. Applied Physics Letters . 86 (17): 172108. Bibcode :2005ApPhL..86q2108T. doi :10.1063/1.1921352.
- ^ ヤン、バオジー;越、国鎮。シベック、ローラ。ヤン、ジェフリー。グハ、サブヘンドゥ。ジャン・チュンシェン (2011)。 「効率が 16% を超える多接合薄膜シリコン太陽電池を実現する革新的な二重機能 nc-SiOx:H 層」。応用物理学の手紙。99 (11): 11351。書誌コード:2011ApPhL..99k3512Y。土井：10.1063/1.3638068。
- ^ Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (2016年12月1日). 「効率的な太陽電池に向けたシリコンナノワイヤの設計と製造」(PDF) . Nano Today . 11 (6): 704–737. doi :10.1016/j.nantod.2016.10.001.
- ^ RenewableEnergyWorld.com 薄膜太陽電池と結晶シリコンの比較、2011 年 1 月 3 日
- ^ ダイアン・カードウェル、キース・ブラッドシャー（2013年1月9日）。「中国企業が米国の太陽光発電スタートアップ企業を買収」ニューヨーク・タイムズ。 2013年1月10日閲覧。
- ^ Andorka, Frank (2014年1月8日). 「CIGS太陽電池の簡略化」. solarpowerworldonline.com/ . Solar Power World. 2014年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年8月16日閲覧。
- ^ 「韓国企業、薄膜事業を終了または縮小」 OfWeek.com/. 2014年7月17日。2015年5月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月29日閲覧。
- ^ 「2014年年次報告書」IEA-PVPS。2015年5月21日。49、78ページ。
サムスンSDIはCIGS薄膜PVモジュールの生産中止を決定。Hanergy：49ページの表3
- ^ solar-frontier.com – プレスリリース ソーラーフロンティア、東北に150MWのCIS太陽電池モジュール工場を建設へ、2013年12月19日
- ^ 「オーストラリア最大の太陽光発電所がニューサウスウェールズ州西部のニンガンにオープン」ABC.net.au 2015年4月18日。
- ^ Peralta, Eyder. (2011 年 4 月 7 日) GE が米国最大のソーラーパネル工場建設計画を発表 : The Two-Way. NPR. 2011 年 5 月 5 日に閲覧。
- ^ PVTECH.org First Solar が GE の CdTe 薄膜 IP を買収し、ビジネス パートナーシップを締結、2013 年 8 月 6 日
- ^ ラーベ、スティーブ、ジャッフェ、マーク（2012年11月4日）。「コロラド州の破産した太陽光発電は、政治的なボールとして生き続けます」。デンバーポスト。
- ^ 「ECDソーラーの終焉が到来」GreentechMedia、2012年2月14日。
- ^ 「エリコンが太陽光発電事業を売却、アモルファスシリコンPVの運命は？」GrrentechMedia 2012年3月2日。
- ^ 「安らかに眠れ: 消滅した太陽光発電会社リスト」GreenTechMedia 2013年4月6日2015年7月30日閲覧。
- ^ 「NovaSolar（旧OptiSolar）、フリーモントの煙を上げるクレーターを去る」GreenTechMedia 2012年2月24日。 2015年7月30日閲覧。
- ^ 「サンテックパワーの中国子会社が破産を宣言」ニューヨークタイムズ。2013年3月20日。
- ^ 「サンテック、中国破産後に新たな資金を調達へ、清算人発言」ブルームバーグ、2014年4月29日。
- ^ 「PVXスポット市場価格指数太陽光発電モジュール」。SolarServer。2014年6月20日。2014年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月30日閲覧。
- ^ 「0.38 EUR から USD - ユーロから米ドルへの為替レート」www.xe.com。
- ^ 「薄膜太陽電池パネル | アメリカ太陽エネルギー協会」。
- ^ 「住宅用金属屋根の長所と短所」。
- ^ ab 「ソーラーパネルと薄膜ラミネートの比較：コスト、長所と短所、トップブランド」。2022年1月19日。
- ^ ツヴァイベル、ケン（1995年9月）。「薄膜：過去、現在、未来」。太陽光発電の進歩：研究と応用。3 （5 ）：279–293。doi ：10.1002/pip.4670030503。
- ^ 「カドミウムテルル化物加速器コンソーシアム」www.nrel.gov . 2023年4月6日閲覧。
- ^ abcd Jordan, Dirk C.; Kurtz, Sarah R. (2012 年 6 月). 「太陽光発電の劣化率 - 分析レビュー」(PDF) .国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) .
- ^ abcdefg ムテリ、ヴィンチェンツォ;セルーラ、マウリツィオ;クルト、ドメニコ。フランツィッタ、ヴィンチェンツォ。ロンゴ、ソニア。ミストレッタ、マリーナ。パリシ、マリア・ローラ（2020年1月）。 「太陽光発電パネルのライフサイクルアセスメントに関する検討」。エネルギー。13 (1): 252.土井: 10.3390/en13010252。hdl : 10447/392647。ISSN 1996-1073。
- ^ 「紙のように薄い太陽電池であらゆる表面を電源に変える」MITニュース | マサチューセッツ工科大学。2022年12月9日。 2023年4月5日閲覧。
- ^ 「太陽光 - 2022年の10の予測」BloombergNEF。2022年1月26日。 2023年4月4日閲覧。
- ^ ab Babayigit, Aslihan; Ethirajan, Anitha; Muller, Marc; Conings, Bert (2016年2月24日). 「有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池の毒性」. Nature Materials . 15 (3): 247–251. Bibcode :2016NatMa..15..247B. doi :10.1038/nmat4572. hdl : 2268/195044 . ISSN 1476-4660. PMID 26906955.
- ^ 「ファーストソーラーのCdTe薄膜の安全性に関する真実」www.greentechmedia.com 。 2023年4月5日閲覧。
- ^ Fthenakis, VM; Moskowitz, PD (1995 年 3 月 21日)。「薄膜光電池: 製造、使用、廃棄における健康と環境の問題」。光電池の進歩: 研究と応用。3 (5): 295–306。doi :10.1002/ pip.4670030504。
- ^ MOSKOWITZ, PAUL D. (2007 年 2 月 23 日). 「CdTe 光起電力モジュールの製造と使用に関連する環境、健康、安全の問題」. International Journal of Solar Energy . 12 (1–4): 259–281. doi :10.1080/01425919208909767. ISSN 1992-1993.
- ^ Burchart-Korol, Dorota; Pustejovska, Pavlina; Blaut, Agata; Jursova, Simona; Korol, Jerzy (2018年11月1日). 「チェコ共和国とポーランドの現在および将来の発電システムの比較ライフサイクルアセスメント」.国際ライフサイクルアセスメントジャーナル. 23 (11): 2165–2177. Bibcode :2018IJLCA..23.2165B. doi :10.1007/s11367-018-1450-z. hdl : 10084/132821 . ISSN 1614-7502. S2CID 116189232.
出典
- Grama, S.「薄膜太陽光発電産業と技術の調査」マサチューセッツ工科大学、2008 年。
- グリーン、マーティン A.「薄膜太陽光発電技術の統合：これからの 10 年間のチャンス」太陽光発電の進歩：研究と応用 14、第 5 号 (2006 年)、383 ～ 392 ページ。
- Green, MA「太陽光発電の最近の進歩」太陽エネルギー76、第1-3号（2004年）：3–8。
- ボーカルヌ、ガイ。「シリコン薄膜太陽電池」。Advances in OptoElectronics 2007（2007 年 8 月）：12 ページ。
- Ullal, HS、B. von Roedern。「薄膜 CIGS および CdTe 太陽光発電技術: 商業化、重要な問題、およびアプリケーション、プレプリント」(2007)。
- Hegedus, S.「薄膜太陽電池モジュール：低コスト、高スループット、多用途のシリコンウェーハ代替品」Progress in Photovoltaics: Research and Applications 14, no. 5 (2006): 393–411。
- Poortmans, J.、および V. Arkhipov。「薄膜太陽電池：製造、特性評価および応用」Wiley、2006 年。
- Wronski, CR, B. Von Roedern、A. Kolodziej。「薄膜Si:Hベースの太陽電池」Vacuum 82、第10号（2008年6月3日）：1145-1150。
- Chopra, KL, PD Paulson、V. Dutta。「薄膜太陽電池：概要」Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12、第2-3号（2004年）：69–92。
- 浜川 裕. 薄膜太陽電池：次世代太陽光発電とその応用. Springer, 2004.
- グリーン、マーティン。「薄膜太陽電池：材料、技術、商業的状況のレビュー。」Journal of Materials Science：Materials in Electronics 18（2007年10月1日）：15–19。
外部リンク
- Flexcellence Archived May 10, at the Wayback Machine、EU の第 6 次フレームワーク プログラム(FP6)によって資金提供されたSTReP 。フル タイトル:高効率で低コストの薄膜シリコン太陽光発電モジュールを製造するためのロールツーロール技術。