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太陽光発電（PV ）とは、光起電力効果を示す半導体材料を用いて光を電気に変換する技術であり、光起電力効果は物理学、光化学、電気化学の分野で研究されている現象である。光起電力効果は、発電や光センサーとして商業的に利用されている。
太陽光発電システムは、複数の太陽電池から構成されるソーラーモジュールを使用し、発電を行います。太陽光発電設備は、地上設置型、屋上設置型、壁面設置型、または水上設置型などがあります。架台は固定式の場合もあれば、太陽追尾装置を使用して太陽の動きに合わせて追尾する場合もあります。
太陽光発電技術は、化石燃料よりも二酸化炭素の排出量がはるかに少ないため、気候変動の緩和に役立ちます。太陽光発電はエネルギー源として特有の利点があります。一度設置すれば、その運用では汚染や温室効果ガスの排出は一切発生しません。電力需要に関して拡張性があり、シリコンは地殻に豊富に存在しますが、銀など太陽光発電システムの製造に必要な他の材料が、この技術のさらなる成長を阻害する可能性があります。特定されたその他の主な制約には、土地利用の競合が含まれます。[ 1 ]太陽光発電を主要なエネルギー源として使用するには、エネルギー貯蔵システムまたは高電圧直流送電線による世界的な配電が必要となり、追加コストが発生します。また、バランスを取る必要がある変動的な発電など、他の特有の欠点もいくつかあります。製造と設置は、化石燃料による排出量のほんの一部ではありますが、ある程度の汚染と温室効果ガスの排出を引き起こします。[ 2 ]
太陽光発電システムは、独立型設備として特殊な用途で長年使用されており、系統連系型太陽光発電システムは1990 年代から使用されています。[ 3 ]太陽光発電モジュールは、ドイツ政府が 10 万個の屋根設置プログラムに資金を提供した 2000 年に初めて大量生産されました。[ 4 ]コストの低下により、太陽光発電はエネルギー源として成長してきました。これは、2000 年以降の中国政府による太陽光発電能力の開発への大規模な投資と規模の経済の実現によって部分的に促進されています。製造技術と効率の向上もコストの低下につながっています。[ 5 ] [ 6 ]ネットメータリングと、太陽光発電による電力に対する優遇固定価格買取制度などの財政的インセンティブは、多くの国で太陽光発電設備の設置を支援してきました。[ 7 ]パネルの価格は 2004 年から 2011 年の間に 4 分の 1 に下落しました。モジュールの価格は 2010 年代に約 90% 下落しました。
2022年には、世界の太陽光発電設備の設置容量が1テラワット（TW）を超え、世界の電力需要の約2%をカバーしました。[ 8 ]水力発電と風力発電に次いで、太陽光発電は世界の容量で3番目に大きな再生可能エネルギー源です。2022年、国際エネルギー機関は 、 2022年から2027年にかけて1TWを超える成長を予測しました。[ 9 ]場合によっては、太陽光発電は、太陽光ポテンシャルの高い地域で最も安価な電力源となっており、2023年にはカタールで0.015 米ドル/ kWhという低価格での入札がありました。 [ 10 ] 2023年、国際エネルギー機関は、世界エネルギー見通しの中で、「低コストの資金調達で高品質の資源を活用するプロジェクトの場合、太陽光発電は現在、史上最も安価な電力源となっている」と述べています。[ 11 ]
「光起電力」という用語は、ギリシャ語の「光」を意味するφῶς ( phōs ) と、起電力の単位である「ボルト」に由来し、ボルトは電池（電気化学セル）の発明者であるイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタの姓に由来します。「光起電力」という用語は、1849 年以来英語で使用されています。[ 12 ]
1839年、フランスの科学者エドモン・ベクレルは、太陽光にさらされた金属溶液によって電流が発生することに気づき、光起電力効果を初めて観察した。 [ 13 ]
1989年、ドイツ研究技術省は太陽光発電屋根への資金提供を目的とした史上初のプログラムを開始した。このプログラムはドイツのボンでヴァルター・サンドナーが主導した。[ 14 ]
1994年、日本は彼らの後に続き、同様のプログラムを実施し、539の住宅用太陽光発電システムを設置した。[ 15 ]それ以来、多くの国が太陽光発電システムの生産と資金提供を続けている。
太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽からのエネルギーを光起電力効果によって電子の流れに変換することで電力を生成する方法として最もよく知られています。[ 16 ] [ 17 ]
太陽電池は太陽光から直流電力を生成し、機器の電源として、またはバッテリーの充電に使用できます。太陽光発電の最初の実用的な用途は、軌道上の衛星やその他の宇宙船への電力供給でしたが、今日では太陽光発電モジュールの大部分は、発電用の系統連系システムに使用されています。この場合、直流を交流に変換するためのインバータが必要です。また、遠隔地の住居、ボート、レクリエーション用車両、電気自動車、路側緊急電話、リモートセンシング、パイプラインの陰極防食などのための独立型システムにも、小規模ながら市場があります。
太陽光発電では、半導体材料を含む多数の太陽電池で構成されたソーラーモジュールが使用されます。 [ 18 ]銅製のソーラーケーブルは、モジュール（モジュールケーブル）、アレイ（アレイケーブル）、およびサブフィールドを接続します。再生可能エネルギー源への需要の高まりにより、太陽電池と太陽光発電アレイの製造は近年著しく進歩しました。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
セルは環境から保護する必要があり[ 22 ]、通常はソーラーモジュールにしっかりとパッケージ化されています。
太陽光発電モジュールの出力は、標準試験条件（STC）で「W p」（ワットピーク）で測定されます。 [ 23 ]特定の場所での実際の出力は、地理的な位置、時間帯、気象条件、その他の要因によって、この定格値より低い場合も高い場合もあります。[ 24 ]太陽光発電アレイの容量係数は、蓄電設備と組み合わせない場合、通常25%未満であり、これは他の多くの産業用電力源よりも低い値です。[ 25 ]
太陽電池の効率とは、太陽光に含まれるエネルギーのうち、太陽電池によって電気エネルギーに変換される割合のことです。効率は、緯度や天候と組み合わさって、太陽光発電システムの発電量を決定します。
2024年現在、太陽電池の効率の記録は47.6%で、2022年5月にフラウンホーファーISEがIII-V族4接合集光型太陽光発電（CPV）セルで達成した。[ 26 ] [ 27 ]実環境下での記録はNRELが保持しており、テスト済みの効率が39.5%の3接合セルを開発した。[ 28 ] [ 29 ]
市販の太陽光発電モジュールは24%を超える効率を達成している。[ 30 ] [ 31 ] 2025年時点では、[ 32 ]最高効率は24.5%に達しているが、[ 33 ]通常、単体のセルよりも低い。最も効率の良い量産型太陽光発電モジュールの出力密度は175 W/m 2 (16.22 W/ft 2 )である。[ 34 ]
2026年に、フラウンホーファー研究所は、トリプルIII-Vゲルマニウムセルとセルを相互接続するための瓦状マトリックス技術を使用して、34.4%の効率を達成しました。重要な革新は、セル間の直接接触の使用であり、従来のはんだコーティングされた銅リボンと、それによる活性セル領域の遮光を排除しました。[ 35 ]
変換効率には、反射率、熱力学的効率、電荷キャリア分離効率、電荷キャリア収集効率、伝導効率値など、いくつかの要因が影響します。[ 37 ] [ 36 ]これらのパラメータは直接測定するのが難しいため、代わりに量子効率、開放電圧（VOC ）比、フィル ファクターなどの他のパラメータが測定されます。反射損失は、外部量子効率に影響するため、量子効率値によって考慮されます。再結合損失は、これらの要因によって考慮されます。抵抗損失は主にフィルファクター値によって考慮されますが、他の要因にも影響します。
構造によっては、太陽光発電モジュールはさまざまな周波数の光から発電できますが、通常は太陽放射の全範囲（特に紫外線、可視光線、赤外線、低周波光または拡散光）をカバーすることはできません。そのため、入射する太陽光エネルギーの大部分は太陽光発電モジュールによって処理されません。理論的には、太陽光を波長帯（それぞれ異なる色）に分割し、それぞれの波長帯をより効率的に変換する範囲に調整されたセルにそれぞれを照射することができます。[ 38 ]
モジュールの性能は、一般的に標準試験条件 (STC) で評価されます。STC は、日射量1,000 W/m 2、太陽光スペクトルAM 1.5、モジュール温度 25 °C です。[ 39 ]照明、温度、負荷条件が変化すると、モジュールの実際の電圧と電流出力も変化するため、モジュールが動作する特定の電圧は存在しません。性能は、地理的な場所、時刻、年間の日数、日射量、モジュールの方向と傾斜、雲量、日陰、汚れ、充電状態、温度によって異なります。モジュールまたはパネルの性能は、DC クランプ メータまたはシャントを使用してさまざまな時間間隔で測定し、チャート レコーダーまたはデータ ロガーを使用して記録、グラフ化、またはチャート化できます。
最適な性能を得るには、ソーラーパネルは直射日光に対して垂直な同じ方向に配置された類似のモジュールで構成されている必要があります。バイパスダイオードは、破損または日陰になったパネルを迂回して出力を最適化するために使用されます。これらのバイパスダイオードは通常、連続的な流れを作るために太陽電池のグループに沿って配置されます。[ 40 ]
電気的特性には、定格電力（P MAX、単位はW）、開放電圧（V OC）、短絡電流（I SC、単位はアンペア）、最大電力電圧（V MPP）、最大電力電流（I MPP）、ピーク電力（ワットピーク、W p）、およびモジュール効率（%）が含まれます。
開放電圧または V OCは、モジュールが電気回路やシステムに接続されていないときに生成できる最大電圧です。[ 41 ] V OC は、点灯したモジュールの端子または切断されたケーブルで電圧計を使用して直接測定できます。
ピーク電力定格 W pは、標準テスト条件下での最大出力です (可能な最大出力ではありません)。 一般的なモジュールは、約1 × 2 メートル (3フィート × 7フィート)の大きさで、効率に応じて 75 W から 600 W まで定格されます。 テスト時には、テスト モジュールはテスト結果に基づいて分類され、一般的なメーカーはモジュールを 5 W 刻みで定格し、+/- 3%、+/- 5%、+3/-0%、または +5/-0% のいずれかで定格する場合があります。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]
太陽光発電（PV）モジュールの性能は、環境条件、特にモジュール面における全入射日射量Gに依存します。しかし、p-n接合の温度Tも、短絡電流ISC、開放電圧VOC、最大電力Pmaxといった主要な電気的パラメータに影響を与えます。一般に、VOCはTと有意な負の相関関係を示すことが知られていますが、ISCについては正の相関関係を示しますが、その相関は弱く、この増加はVOCの減少を補償しません。結果として、Tが増加するとPmaxは減少します。太陽電池の出力と接合部の動作温度との間のこの相関関係は、半導体材料に依存し、太陽電池内部の固有キャリア、すなわち電子とギャップの濃度、寿命、移動度に対するTの影響によるものです。
温度感度は通常、温度係数によって表され、それぞれの温度係数は、それが参照するパラメータの接合部温度に関する微分値を表します。これらのパラメータの値は、太陽光発電モジュールのデータシートに記載されており、以下のとおりです。
これらの係数を実験データから推定する手法は文献に記載されている。[ 45 ]
太陽光モジュールが雨、雹、大雪、熱と寒さのサイクルによる損傷に耐える能力はメーカーによって異なりますが、米国市場に出回っているほとんどの太陽光パネルはUL認証を受けており、雹に耐えるためのテストに合格しています。[ 46 ]
電位誘起劣化（PIDとも呼ばれる）は、いわゆる迷走電流によって引き起こされる、結晶系太陽光発電モジュールの電位誘起性能劣化である。[ 47 ]この影響により、最大30%の電力損失が発生する可能性がある。[ 48 ]
太陽光発電技術における最大の課題は、発電された電力1ワットあたりの購入価格です。太陽光発電技術の進歩により、シリコン基板を「ドーピング」して活性化エネルギーを下げ、光子を回収可能な電子に変換する効率を高めるプロセスが実現しました。[ 49 ]
ホウ素（p型）などの化学物質を半導体結晶に添加することで、ドナーおよびアクセプターのエネルギー準位を価電子帯および伝導帯に大幅に近づけることができます。[ 50 ]この方法では、ホウ素不純物の添加により、活性化エネルギーを1.12 eVから0.05 eVへと20分の1に減少させることができます。電位差（E B）が非常に小さいため、ホウ素は室温で熱的にイオン化することができます。これにより、伝導帯および価電子帯に自由エネルギーキャリアが生成され、光子から電子への変換効率が向上します。
太陽光発電（PV）装置の出力は時間とともに低下します。この低下は、太陽光照射やその他の外部条件への曝露によるものです。出力損失の年間割合として定義される劣化指数は、太陽光発電プラントの長期的な発電量を決定する重要な要素です。この劣化を推定するには、各電気パラメータに関連する低下率を算出します。個々の太陽光発電モジュールの劣化は、ストリング全体の性能に大きな影響を与える可能性があります。さらに、同じ設置場所にあるすべてのモジュールが、まったく同じ速度で性能を低下させるわけではありません。長期間屋外環境にさらされるモジュール群の場合、主要な電気パラメータの個々の劣化と、それらのばらつきの増加を考慮する必要があります。各モジュールは異なる劣化傾向にあるため、時間の経過とともにモジュールの挙動はますます異なり、プラント全体の性能に悪影響を及ぼします。
文献には、さまざまな太陽光発電技術に基づくモジュールの出力劣化分析を扱った研究がいくつかあります。最近の研究[ 51 ]によると、結晶シリコンモジュールの劣化は非常に規則的で、年間0.8%から1.0%の間で変動します。
一方、薄膜太陽電池モジュールの性能を分析すると、初期には著しい劣化期間（数ヶ月から2年まで続く場合がある）が見られ、その後、劣化が安定し、結晶シリコンと同程度になる段階が続きます。[ 52 ]また、このような薄膜技術では、太陽光スペクトルの影響がはるかに大きいため、季節による大きな変動も見られます。たとえば、アモルファスシリコン、マイクロモルフィックシリコン、テルル化カドミウムのモジュールでは、最初の数年間の年間劣化率は3%から4%の間です。[ 53 ]しかし、CIGSなどの他の技術では、初期の数年間でも劣化率ははるかに低くなっています。
太陽光発電の製造プロセスは、複雑な部品や可動部品を多数必要としないため、全体的にシンプルです。PVシステムは固体であるため、10年から30年と比較的長い寿命を持つことがよくあります。PVシステムの電気出力を増やすには、製造業者は単に太陽光発電部品を追加する必要があります。このため、生産量の増加に伴ってコストが減少するため、規模の経済が製造業者にとって重要になります。[ 54 ]
効果的な太陽光発電システムには多くの種類がありますが、2013年には結晶シリコン太陽光発電が世界の太陽光発電生産量の約90%を占めました。シリコン太陽光発電システムの製造にはいくつかの工程があります。まず、採掘された石英からポリシリコンを精製し、非常に純度の高い（半導体グレード）ものにします。これを少量のホウ素（第III族元素）とともに溶融し、電子正孔が豊富なp型半導体を作ります。通常、種結晶を用いて、この溶液から液状多結晶シリコンのインゴットを成長させます。インゴットは型に流し込んで鋳造することもできます。この半導体材料のウェーハは、ワイヤーソーでバルク材料から切り出され、洗浄前に表面エッチング処理が施されます。次に、ウェーハをリン蒸着炉に入れ、第V族元素であるリンの非常に薄い層を蒸着してn型半導体表面を作ります。エネルギー損失を低減するために、反射防止コーティングと電気接点が表面に施されます。セルが完成すると、特定の用途に応じて電気回路を介してセルが接続され、出荷および設置の準備が整います。[ 55 ]
太陽光発電は完全に「クリーンエネルギー」ではありません。製造過程で温室効果ガスが排出され、セルの製造に使用される材料は持続不可能でいずれ枯渇する可能性があり、この技術は汚染を引き起こす有毒物質を使用し、[ 56 ]太陽光廃棄物をリサイクルする実行可能な技術はありません。[ 57 ]その影響を調査するために必要なデータは、かなりの不確実性によって影響を受けることがあります。たとえば、人間の労働力と水の消費量は、科学文献に体系的かつ正確な分析がないため、正確に評価されていません。[ 1 ] PVによる影響を判断する際の難しさの1つは、製造段階で廃棄物が大気、水、または土壌に放出されるかどうかを判断することです。[ 58 ]地球温暖化係数、汚染、水資源の枯渇など、さまざまな環境影響を検討するライフサイクルアセスメントは、 PVには利用できません。その代わりに、研究ではさまざまな種類の太陽光発電の影響と潜在的な影響を推定しようと試みられてきたが、これらの推定は通常、製造および/または輸送のエネルギーコストを評価するだけに限定されている。これは、これらが新しい技術であり、市販されている第一世代の太陽電池でさえ、その構成要素と廃棄方法の全体的な環境影響が不明であるためであり、ましてや商業的に実現可能性のない実験的なプロトタイプについてはなおさらである。[ 59 ]
そのため、PVの環境影響の推定は、1kWhあたりの二酸化炭素換算量またはエネルギー回収期間（EPBT）に焦点を当ててきました。EPBTは、PVシステムが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ために稼働する必要がある期間を表します。[ 60 ]別の研究では、EPBTに輸送エネルギーコストを含めています。[ 61 ]また、別の研究では、EPBTは「PVシステムのライフサイクル中に必要とされる再生可能および非再生可能な一次エネルギーの総量を補償するために必要な時間」とまったく異なる形で定義されており、設置コストも含まれています。[ 62 ]このエネルギー償却は年数で表され、損益分岐点エネルギー回収期間とも呼ばれます。[ 63 ] EPBTが低いほど、太陽光発電の環境コストは低くなります。EPBTは、PVシステムが設置される場所（例えば、利用可能な日照量と電力網の効率）[ 61 ]とシステムの種類、つまりシステムのコンポーネントに大きく依存します。[ 60 ]
2015年の第1世代および第2世代PVのEPBT推定値のレビューでは、セルの効率よりも埋め込みエネルギーのばらつきが大きいことが示唆されており、EPBTの大幅な削減には主に埋め込みエネルギーを削減する必要があることを示唆している。[ 64 ]
一般的に、太陽光パネルの最も重要な構成要素であり、エネルギー消費と温室効果ガス排出量の大部分を占めるのは、ポリシリコンの精製です。[ 60 ]このシリコンがEPBTの何パーセントを占めるかは、システムのタイプによって異なります。完全自給自足システムでは、追加のコンポーネント（「バランスオブシステム」、パワーインバータ、蓄電など）が必要となり、製造のエネルギーコストが大幅に増加しますが、シンプルな屋上システムでは、エネルギーコストの約90%がシリコンによるもので、残りはインバータとモジュールフレームによるものです。[ 60 ]
EPBTは、正味エネルギー利得（NEG）と投資エネルギーに対するエネルギー回収率（EROI）の概念と密接に関連しています。これらはどちらもエネルギー経済学で使用され、エネルギー源を収穫するために消費されたエネルギーと、その収穫から得られたエネルギー量の差を指します。NEGとEROIはPVシステムの稼働寿命も考慮に入れており、通常25～30年の稼働寿命が想定されています。これらの指標から、計算によってエネルギー回収時間を導き出すことができます。[ 65 ] [ 66 ]
実用化されているシステムの大半を占める結晶シリコンを使用したPVシステムは、シリコンが電気炉で高品質の石英砂を還元して製造されるため、EPBTが非常に高い。このコークス燃焼製錬プロセスは1000 ℃を超える高温で行われ、シリコン1キログラムあたり約11キロワット時（kWh）のエネルギーを消費する非常にエネルギー集約的なプロセスである。 [ 67 ]このプロセスのエネルギー要件により、生産されるシリコン単位あたりのエネルギーコストは比較的非弾力的になり、つまり、将来的に生産プロセス自体がより効率的になることはない。
それにもかかわらず、結晶シリコンセルが太陽光変換においてますます効率的になり、ウェーハ材料の厚さが絶えず薄くなり、製造に必要なシリコンの量が少なくなったため、エネルギー回収期間はここ数年で大幅に短縮されました。過去10年間で、太陽電池に使用されるシリコンの量は、ワットピークあたり16グラムから6グラムに減少しました。同じ期間に、c-Siウェーハの厚さは300μm （ミクロン）から約160～ 190μmに減少しました。結晶シリコンインゴットをウェーハにスライスする切断技術も、切断ロスを減らし、シリコンおがくずのリサイクルを容易にすることで改善されました。[ 68 ] [ 69 ]
結晶シリコンモジュールは、最も一般的に使用されているため、LCA の観点から最も広く研究されている PV タイプです。単結晶シリコン太陽光発電システム (mono-si) の平均効率は 14.0% です。[ 71 ]セルは、前面電極、反射防止膜、n 層、p 層、背面電極の構造に従う傾向があり、太陽光は前面電極に当たります。EPBT は 1.7 ～ 2.7 年です。[ 72 ]南ヨーロッパに設置した場合、クレードルからゲートまでの CO2換算値/kWh は 37.3 ～ 72.2 グラムです。[ 73 ]
多結晶シリコン（マルチSi）太陽電池を製造する技術は、単結晶シリコンよりも簡単で安価ですが、効率の低いセルを作る傾向があり、平均効率は13.2%です。[ 71 ] EPBTは1.5年から2.6年です。[ 72 ]南ヨーロッパに設置した場合、 CO2換算/kWhのゆりかごからゲートまでの範囲は28.5グラムから69グラムです。[ 73 ]
以下の国々がヨーロッパと同様の高品質の送電網インフラを備えていると仮定すると、2020年には、屋上太陽光発電システムがモジュール内のシリコンの製造に必要なエネルギー量（銀、ガラス、マウント、その他の部品を除く）と同じ量のエネルギーを生成するのに、カナダのオタワでは1.28年、イタリアのカターニアでは0.97年、インドのジャイプールでは0.4年かかると計算されました。送電網の正味効率が低いヨーロッパ以外では、さらに時間がかかります。この「エネルギー回収時間」は、モジュールの耐用年数のうち、エネルギー生産が汚染を引き起こしている期間と見なすことができます。最良の場合、これは30年前のパネルがその耐用年数の97%でクリーンエネルギーを生産している、または太陽光パネルのモジュール内のシリコンは、同じ量のエネルギーを生産する石炭火力発電所よりも温室効果ガスの排出量が97%少ないことを意味します（多くのことを仮定し、無視しています）。[ 61 ]いくつかの研究では、EPBTとGWPを超えて他の環境影響を調べています。そのような研究の1つでは、ギリシャの従来のエネルギーミックスをマルチシリコンPVと比較し、発がん性物質、生態毒性、酸性化、富栄養化、その他11項目を含む影響が全体で95%減少することがわかりました。[ 74 ]
テルル化カドミウム（CdTe）は、第2世代デバイスとして総称される、急速に成長している薄膜型太陽電池の1つです。この新しい薄膜デバイスは、従来のSiデバイスと同様の性能制限（ショックレー・クイサー効率限界）を共有していますが、製造時の材料とエネルギー消費の両方を削減することで、各デバイスのコストを下げることが期待されています。2008年のCdTeの世界市場シェアは4.7%でした。[ 58 ]この技術の最高電力変換効率は21%です。[ 75 ]セル構造には、ガラス基板（約2 mm）、透明導体層、CdSバッファ層（50～150 nm）、CdTe吸収層、金属コンタクト層が含まれます。
CdTe PV システムは、単位電力生産量あたりの他の商用 PV システムよりも製造に必要なエネルギー投入量が少なくて済みます。平均 CO 2 -eq/kWh は約 18 グラム (ゆりかごからゲートまで) です。CdTe は、すべての商用 PV 技術の中で最も速い EPBT を持ち、0.3 ～ 1.2 年です。[ 76 ]
第三世代PVは、第一世代と第二世代の両方のデバイスの利点を組み合わせるように設計されており、第一世代と第二世代のPVセルの理論的な限界であるショックレー・クイサー限界がありません。第三世代デバイスの厚さは1μm未満です 。[ 77 ]
有望な新しい薄膜技術として、銅亜鉛スズ硫化物（Cu 2 ZnSnS 4または CZTS）[ 59 ] 、リン化亜鉛（Zn 3 P 2）[ 59 ]、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）[ 78 ]が挙げられます。これらの薄膜は現在ラボでのみ製造されていますが、将来的に商業化される可能性があります。CZTS および（Zn 3 P 2）の製造プロセスは、それぞれ現在の CIGS および CdTe の薄膜技術と同様になると予想されます。一方、SWCNT PV の吸収層は、CoMoCAT 法[ 79 ]で合成されると予想されます。CIGSや CdTe などの確立された薄膜とは異なり、CZTS、Zn 3 P 2、および SWCNT PV は、地球上に豊富に存在する無毒の材料から作られており、現在の世界的な消費量よりも年間で多くの電力を生産する可能性を秘めています。[ 80 ] [ 81 ] CZTSとZn 3 P 2はこれらの理由から有望ですが、商業生産の具体的な環境影響はまだわかっていません。CZTSとZn 3 P 2の地球温暖化係数はそれぞれ38グラムCO 2 -eq/kWhと30グラムCO 2-eq/kWhであることがわかりましたが、対応するEPBTはそれぞれ1.85年と0.78年であることがわかりました。[ 59 ]全体として、CdTeとZn 3 P 2は同様の環境影響を持ちますが、CIGSとCZTSをわずかに上回ることができます。[ 59 ] CelikらによるSWCNT PVの環境影響に関する研究では、既存の1%効率デバイスと理論上の28%効率デバイスを含め、単結晶Siと比較して、1% SWCNTの環境影響は主に3年の短い寿命のために約18倍高いことがわかりました。[ 78 ]
太陽光発電技術の基礎となるコスト、産業構造、市場価格は長年にわたり大きく変化しており、世界の産業バリューチェーン全体で起こっている変化を包括的に把握することは困難です。これは、「コストと価格の変化の速さ、多数の製造プロセスを含むPVサプライチェーンの複雑さ、完全なPVシステムに関連するシステムバランス（BOS）と設置コスト、さまざまな流通チャネルの選択、PVが展開されている地域市場間の違い」によるものです。さらに、さまざまな国で太陽光発電の商業化を促進するために実施されているさまざまな政策支援イニシアチブによって、複雑さが増しています。[ 3 ]
再生可能エネルギー技術は、発明以来、概して安価になってきている。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]特に風力発電や太陽光発電技術の進歩のおかげで、世界の多くの地域で再生可能エネルギーシステムは化石燃料発電所よりも安価に建設できるようになっている。[ 86 ]
電力やエネルギー需要と料金管理には万能薬はありません。顧客（サイト）は、快適性や利便性のニーズ、電気料金、使用パターンなど、それぞれ異なる状況にあるからです。電気料金には、日々のアクセス料金やメーター料金、エネルギー料金（kWh、MWhに基づく）、ピーク需要料金（例えば、1か月間の最大30分間のエネルギー消費量に対する料金）など、いくつかの要素が含まれる場合があります。オーストラリアやドイツのように、電気料金がかなり高く、継続的に上昇している場合、PVはエネルギー料金を削減するための有望な選択肢です。しかし、ピーク需要料金が導入されているサイトでは、ピーク需要が主に午後遅くから夕方にかけて発生する場合（例えば、住宅地など）、PVの魅力は低くなる可能性があります。全体として、エネルギー投資は主に経済的な決定であり、運用改善、エネルギー効率、オンサイト発電、エネルギー貯蔵の選択肢を体系的に評価して投資決定を行う方が良いでしょう。[ 87 ] [ 88 ]
1977年当時、結晶シリコン太陽電池の価格は1Wあたり76.67ドルだった。[ 90 ]
2000年代初頭、ドイツとスペインで手厚い補助金とポリシリコン不足により需要が高かったため、卸売モジュール価格は3.50ドルから4.00ドル/W前後で横ばいでしたが、2008年の市場暴落後にスペインの補助金が突然終了したことで需要が激減し、価格は2.00ドル/Wまで急落しました。メーカーは、イノベーションとコスト削減により、収入が50%減少したにもかかわらず、プラスの営業利益率を維持することができました。2011年後半、結晶シリコン太陽光発電モジュールの工場出荷価格が突然1.00ドル/Wを下回り、業界の多くの人々を驚かせ、世界中で多くの太陽光発電製造会社が倒産しました。1.00ドル/Wのコストは、太陽光発電業界ではしばしば太陽光発電のグリッドパリティ達成を示すものとみなされますが、ほとんどの専門家はこの価格水準が持続可能ではないと考えています。技術の進歩、製造工程の改善、および業界の再編により、さらなる価格低下が見込まれる。[ 3 ] Solarbuzzグループが監視している太陽電池の平均小売価格は、2011年の間に1ワットあたり3.50ドルから2.43ドルに下落した。[ 91 ] 2013年には卸売価格が1ワットあたり0.74ドルまで下落した。[ 90 ]これは、業界の生産能力が2倍になるごとに太陽電池の価格が20%下落するという有名なムーアの法則に似た観察である「スワンソンの法則」を裏付ける証拠として引用されている。[ 90 ]フラウンホーファー研究所は、「学習率」を累積生産量が倍増する際の価格下落率と定義しており、1980年から2010年の間に約25%となっています。モジュールの価格は急速に下落していますが、現在のインバーターの価格ははるかに低い割合で下落しており、2019年には1kWpあたりのコストの61%以上を占めるようになり、2000年代初頭には4分の1でした。[ 61 ]
上記の価格はモジュール単体の価格であることに注意してください。モジュール価格の見方としては、設置費用を含める方法もあります。米国では、太陽エネルギー産業協会によると、住宅所有者向けの屋上設置型太陽光発電モジュールの設置費用は、2006年の$9.00/Wから2011年には$5.46/Wに下落しました。産業用設置の費用を含めると、全国的な設置費用は$3.45/Wに下がります。これは世界の他の地域と比べて著しく高く、ドイツでは住宅所有者の屋上設置の平均費用は$2.24/Wでした。この費用差は、主に米国における規制負担の高さと国家的な太陽光発電政策の欠如に基づいていると考えられています。[ 92 ]
2012年末までに、中国のメーカーは最も安価なモジュールで生産コストを$0.50/Wまで下げた。[ 93 ]一部の市場では、これらのモジュールの販売業者は、工場出荷価格で購入し、市場が支えられる最高価格で販売することで、かなりの利益を得ることができる（「価値に基づく価格設定」）。[ 3 ]カリフォルニア州では、PVは2011年にグリッドパリティに達した。グリッドパリティは通常、PVの生産コストが小売電力価格以下であることと定義される（ただし、配電やその他のコストを除いた石炭火力発電やガス火力発電の発電所価格よりは高い場合が多い）。[ 94 ] 2014年には19の市場でグリッドパリティが達成された。 [ 95 ] [ 96 ]
2024年までに、中国での太陽光パネル生産の大幅な増加により、モジュール価格は0.11ドル/Wまで下落し、2011年の価格から90%以上も下落した。[ 97 ]
均等化発電原価(LCOE) は、プロジェクトのライフサイクル全体にわたってコストを配分した kWh あたりのコストであり、ワットあたりの価格よりも実現可能性を計算するためのより良い指標であると考えられています。LCOE は場所によって大きく異なります。[ 3 ] LCOE は、電力会社が新しい発電所への投資で損益分岐点に達するために顧客が電力会社に支払わなければならない最低価格と考えることができます。[ 5 ]グリッド パリティは、LCOE が従来のローカル グリッド価格と同程度の価格に低下したときにおおよそ達成されますが、実際には計算を直接比較することはできません。[ 98 ]大規模な産業用 PV 設備は、2011 年にカリフォルニアでグリッド パリティに達しました。[ 85 ] [ 98 ]屋上システムのグリッド パリティは、この時点ではまだかなり先であると考えられていました。[ 98 ]多くの LCOE 計算は正確ではないと考えられており、多くの仮定が必要です。[ 3 ] [ 98 ]モジュール価格はさらに下落する可能性があり、それに伴い太陽光発電のLCOEも将来的に低下する可能性がある。[ 99 ]
エネルギー需要は一日を通して増減し、太陽光発電は日没によって制限されるため、太陽光発電会社は、システムの安定化のためにグリッドに、より安定した代替エネルギー供給を供給する追加コスト、またはエネルギーを貯蔵するコストも考慮に入れる必要があります。これらのコストはLCOEの計算には含まれておらず、太陽光発電の購入をより魅力的にする可能性のある特別な補助金やプレミアムも含まれていません。[ 5 ]太陽光発電と風力発電の信頼性の低さと時間的変動は大きな問題です。これらの変動の激しい電源が多すぎると、グリッド全体が不安定になる可能性があります。[ 100 ]
2017年現在、米国では太陽光発電所の電力購入契約価格が1kWhあたり0.05ドル未満となるのが一般的であり、ペルシャ湾岸諸国の一部では最低入札価格が1kWhあたり約0.03ドルであった。[ 101 ]米国エネルギー省の目標は、電力会社にとって太陽光発電の均等化発電原価を1kWhあたり0.03ドルにすることである。[ 102 ]
太陽光発電に対する財政的インセンティブ、例えば固定価格買取制度（FIT）などは、電力消費者が太陽光発電システムを設置・運用するために提供されることが多く、一部の国では、こうした補助金が太陽光発電の経済的な収益性を維持する唯一の方法となっている。[ 103 ] PV FITは、太陽光発電の初期の成長にとって極めて重要だった。ドイツとスペインはPVに対する補助金を提供した最も重要な国であり、これらの国の政策が需要を牽引した。[ 3 ]
米国の太陽電池製造会社の中には、PVモジュール価格の低下は中国政府による補助金と、これらの製品の公正な市場価格を下回るダンピングによって達成されたと繰り返し不満を述べているところもある。米国の製造業者は一般的に、利益を維持するために外国からの供給品に高関税を課すことを推奨している。こうした懸念を受けて、オバマ政権は2012年に国内製造業者の価格を引き上げる目的で、これらの製品の米国消費者に関税を課し始めた。[ 3 ]しかし、米国は業界に補助金も出している。[ 92 ]
一部の環境保護主義者は、太陽光発電の製造産業を拡大するために政府の奨励策を用いるべきだという考えを提唱しており、それによって太陽光発電のコストを自由市場で化石燃料と競争できるレベルまで急速に削減できると主張している。これは、製造能力が倍増すると規模の経済によって太陽光発電製品の価格が半減するという理論に基づいている。 [ 5 ]
多くの国では、太陽光発電プロジェクトの開発に必要な資金へのアクセスが不足している。[ 104 ]この問題を解決するために、太陽光発電プロジェクトの開発を加速するために証券化が用いられることがある。[ 94 ] [ 105 ] [ 106 ]
太陽光発電は、エアコンの使用頻度が高い電力系統において、ピーク需要に近い時間帯（ピーク需要の直前）にも発電されます。大規模な太陽光発電の運用には回転予備力という形でバックアップが必要となるため、太陽光発電が発電している日中の限界発電コストは通常最も低くなりますが、ゼロではありません。これは、本論文の図 1 で確認できます。[ 107 ]電力網に接続された私設太陽光発電設備を備えた住宅の場合、発電時間を含めると、所有者は追加の収入を得られる可能性があります。これは、電力は夜間よりも日中の方が価値が高いためです。[ 108 ]
2012年に、あるジャーナリストは、石炭火力発電からの二酸化炭素排出量に1トンあたり50ドルの追加税を課すことでアメリカ人のエネルギー料金が上昇すれば、ほとんどの地域で太陽光発電が消費者にとってよりコスト競争力があるように見える可能性があると推測した。[ 91 ]
太陽光発電は、世界的な書誌計量調査で調査された 7 つの持続可能なエネルギータイプの中で最大の研究分野を形成しており、年間科学論文数は 2011 年の 9,094 件から 2019 年の 14,447 件に増加しています。[ 110 ]同様に、太陽光発電の応用は急速に拡大しており、世界の設置容量は 2022 年 4 月に 1 テラワットに達しました。 [ 111 ]世界の PV 容量の年間総出力は、現在 500 TWh を超えています。これは、世界の電力需要の 2% に相当します。ブラジルやインドなど100か国以上が太陽光発電を使用しています。[ 112 ] [ 113 ]中国に続いて米国と日本が続きますが、かつて世界最大の生産国であったドイツでの設置は減速しています。
ホンジュラスは2019年に太陽光発電によるエネルギー生成率が14.8%と最も高かった。[ 114 ] 2019年現在、ベトナムは東南アジアで最大の設備容量約4.5GWを保有している。[ 115 ] 一人当たり年間約90Wの設置率で、ベトナムは世界のリーダーの一人となっている。 [ 115 ]寛大な固定価格買取制度（FIT）と税制優遇などの政府支援政策が、ベトナムの太陽光発電ブームを可能にした鍵となった。その根底にある要因としては、エネルギー自給率を高めたいという政府の願望と、地域環境の質に対する国民の要求が挙げられる。[ 115 ]
主な障壁は、送電網の容量が限られていることである。[ 115 ]
国際エネルギー機関のデータによると、中国は世界最大の太陽光発電容量を有しており、 2024年の設置容量は1048GWで 、欧州連合の約339GWと比較して大きい。[ 116 ]世界の太陽光発電容量が最大の国には、米国、日本、ドイツなどがある。
2017年には、2030年までに世界の太陽光発電設備容量が3,000～10,000GWになる可能性が高いと考えられていた 。[ 101 ]グリーンピースは2010年に、2030年までに 世界中で1,845GWの太陽光発電システムが年間約2,646TWhの電力を発電し 、2050年までに全電力の20%以上が太陽光発電で供給される可能性があると主張した。[ 118 ]
太陽光パネルや太陽光発電には、あらゆる技術分野にわたる多くの実用的な用途があります。農業分野における灌漑用電源としての利用から、遠隔地の医療施設における医療用品の冷蔵まで、その用途は多岐にわたります。その他にも、様々な規模の発電や、家庭や公共インフラへの統合といった用途があります。太陽光発電システムにはPVモジュールが使用され、多種多様な電気機器が含まれています。
太陽光発電システム（PVシステム）とは、太陽光発電を利用して利用可能な太陽エネルギーを供給するように設計された電力システムです。太陽光を吸収して直接電気に変換するソーラーパネル、直流（DC）電流を交流（AC）電流に変換するソーラーインバーター、架台、ケーブル、その他の電気機器など、複数の構成要素から成り立っています。PVシステムは、数キロワットから数十キロワットの容量を持つ小型の屋上設置型または建物一体型システムから、数百メガワットの大規模な公益事業規模の発電所まで多岐にわたります。現在では、ほとんどのPVシステムは系統連系型であり、独立型システムは市場のごく一部を占めるにすぎません。
光センサーは、光またはその他の電磁放射線のセンサーです。[ 119 ] 光検出器には、光子を電流に変換するp-n接合があります。吸収された光子は、空乏層で電子-正孔対を生成します。フォトダイオードとフォトトランジスタは、光検出器の例です。 太陽電池は、吸収された光エネルギーの一部を電気エネルギーに変換します。
結晶シリコン太陽電池はPVの一種にすぎず、現在生産されている太陽電池の大部分を占めていますが、将来のエネルギー需要を満たすためにスケールアップできる可能性のある、新しく有望な技術が数多く存在します。2018年現在、結晶シリコンセル技術は、単結晶、多結晶、単結晶PERC、両面受光型など、いくつかのPVモジュールタイプの基盤となっています。[ 120 ]
もう一つの新しい技術である薄膜太陽電池は、半導体特性を持つ鉱物であるペロブスカイトの半導体層を真空中の基板上に堆積することによって製造されます。基板は多くの場合ガラスまたはステンレス鋼であり、これらの半導体層は、テルル化カドミウム（CdTe）、二セレン化銅インジウム（CIS）、二セレン化銅インジウムガリウム（CIGS）、およびアモルファスシリコン（a-Si）など、多くの種類の材料でできています。基板上に堆積された後、半導体層は分離され、レーザースクライビングによって電気回路で接続されます。[ 121 ] [ 122 ]ペロブスカイト太陽電池は非常に効率的な太陽エネルギー変換器であり、光起電力用途に優れた光電子特性を持っていますが、実験室サイズのセルから大面積モジュールへのスケールアップはまだ研究中です。[ 123 ]薄膜太陽電池材料は、シリコンベースのウェーハと比較して、薄膜で構成されたモジュールの製造に必要な材料とコストが削減されるため、将来的に魅力的なものになる可能性がある。[ 124 ] 2019年にオックスフォード大学、スタンフォード大学などの大学の研究室は、20～25%の効率を持つペロブスカイト太陽電池を報告した。[ 125 ]
銅インジウムガリウムセレン（CIGS）は、銅インジウムジセレン（CIS）ファミリーのカルコパイライト半導体をベースとした薄膜太陽電池です。CISとCIGSは、CIS/CIGSコミュニティ内でしばしば互換的に使用されます。セル構造は、基板としてソーダ石灰ガラス、バックコンタクトとしてMo層、吸収層としてCIS/CIGS、バッファ層として硫化カドミウム（CdS）またはZn（S、OH）x、フロントコンタクトとしてZnO:Alで構成されています。[ 126 ] CIGSは、従来のシリコン太陽電池技術の約1/100の厚さです。組み立てに必要な材料は容易に入手でき、太陽電池1ワットあたりのコストが低くなっています。CIGSベースの太陽電池デバイスは、時間の経過による性能劣化に強く、現場で非常に安定しています。
CIGSの地球温暖化ポテンシャル影響は、さまざまな日射量（1,700～2,200 kWh/m 2 /y）と電力変換効率（7.8～9.12%）で、発電された電力1kWhあたり20.5～58.8グラムCO 2- eqと報告されている。[ 127 ] EPBTは0.2～1.4年であるが、[ 76 ]調和されたEPBTの値は1.393年であることが判明した。[ 64 ] CIGSモジュールのバッファ層にはカドミウムとガリウムが含まれているため、毒性が問題となっている。[ 59 ] [ 128 ] CISモジュールには重金属は含まれていない。
ペロブスカイト太陽電池（PSC）は、ペロブスカイト構造の化合物、最も一般的には有機無機ハイブリッドの鉛またはスズハロゲン化物ベースの材料を光捕集活性層として含む太陽電池の一種です。[ 129 ] [ 130 ]メチルアンモニウム鉛ハロゲン化物や全無機セシウム鉛ハロゲン化物などのペロブスカイト材料は、製造コストが安く、製造も簡単です。
これらの材料を使用した実験室規模のデバイスの太陽電池効率は、2009年の3.8% [ 131 ]から、単接合構造では2025年には27% [ 132 ] [ 133 ]に、シリコンベースのタンデムセルでは34.85% [ 132 ] [ 134 ]に増加し、単接合シリコン太陽電池で達成された最大効率を超えています。したがって、ペロブスカイト太陽電池は、2016年現在、最も急速に進歩している太陽光発電技術となっています[ 129 ]。 さらに高い効率と非常に低い製造コストを達成する可能性により、ペロブスカイト太陽電池は商業的に魅力的なものとなっています。主な問題と研究対象には、長期安定性[ 135 ] 、水分に対する高い感度[ 136 ]、鉛を使用した場合の毒性などがあります。[ 137 ] PSCにおける有毒な鉛の管理は不可欠であり、暴露は神経障害を含む重大な健康リスクをもたらす。PSCは新興技術であるため、鉛毒性は普及と商業化の大きな障害となっている。
色素増感太陽電池（DSC）は、新しい薄膜太陽電池です。これらの太陽電池は、他の光起電力技術よりも周囲光下で優れた性能を発揮します。2つの電荷輸送材料の間にある増感色素で光が吸収されることで動作します。色素は、焼結ネットワーク内のTiO2ナノ粒子を取り囲んでいます。[ 138 ] TiO2はn型半導体の伝導帯として機能し、装飾された色素分子の足場となり、励起中に電子を輸送します。TiO2 DSC技術では、高温でのサンプル調製が非常に効果的です。高温では、より適切なテクスチャ特性が得られるためです。DSCのもう1つの例は、TMBY（4,4',6,6'-テトラメチル-2,2'-ビピリジン）を酸化還元シャトルとして用いたCu（II/I）の銅錯体です。DSCは、人工光や室内光で優れた性能を発揮します。 200ルクスから2,000ルクスの範囲で、これらのセルは最大効率29.7%の条件下で動作します。[ 139 ]
しかし、DSCには問題があり、その多くは液体電解質に起因しています。溶媒は有害であり、ほとんどのプラスチックに浸透します。液体であるため、温度変化に対して不安定であり、低温では凍結し、高温では膨張して故障を引き起こします。[ 140 ]もう一つの欠点は、効率が低いため、太陽電池が大規模な用途には適していないことです。DSCの利点としては、さまざまな光レベル（曇天を含む）で使用できること、製造コストが低いこと、日光の下で劣化しないため、他のタイプの薄膜太陽電池よりも長寿命であることなどが挙げられます。
将来有望なPV技術としては、有機太陽電池、色素増感太陽電池、量子ドット太陽電池などが挙げられる。[ 141 ]有機太陽電池（OPV）は薄膜製造のカテゴリーに属し、一般的に効率は12%程度で、シリコン系PVで一般的に見られる12～21%よりも低い。有機太陽電池は非常に高い純度が必要で、比較的反応性が高いため、封止する必要があり、製造コストが大幅に増加するため、大規模生産には適さない。色素増感太陽電池は効率はOPVと同程度だが、製造ははるかに容易である。しかし、これらの色素増感太陽電池は、液体電解質が有毒で、セルに使用されているプラスチックに浸透する可能性があるため、保管に問題がある。量子ドット太陽電池は溶液プロセスで製造されるため、潜在的にスケーラブルだが、現在のところ効率は12%が上限である。[ 123 ]
有機およびポリマー太陽電池（OPV）は比較的新しい研究分野です。従来のOPVセル構造層は、半透明電極、電子阻止層、トンネル接合、正孔阻止層、電極で構成され、太陽光は透明電極に当たります。OPVは電極材料として銀の代わりに炭素を使用することで、製造コストを削減し、より環境に優しいものになります。[ 142 ] OPVは柔軟性があり、軽量で、大量生産のためのロールツーロール製造に適しています。[ 143 ] OPVは「非常に低い処理温度と、シンプルな印刷装置で常温処理条件のみを使用することで、エネルギー回収時間を可能にする極めて低い内在エネルギーと、豊富な元素のみを使用する」ものです。[ 144 ]現在の効率は1～6.5%ですが、[ 62 ] [ 145 ]理論的な分析では10%を超える効率が期待されています。[ 144 ]
OPVには、各層に異なる材料を使用したさまざまな構成が存在します。OPV技術は、現在のところ動作寿命が短いものの、EPBTの点では既存のPV技術に匹敵します。2013年の研究では、効率2%の12種類の構成を分析したところ、1 m 2のPVのEPBTは0.29～0.52年でした。[ 146 ] OPVの平均CO 2 -eq/kWhは54.922グラムです。[ 147 ]
熱光起電力（TPV）エネルギー変換は、光子を介して熱から電気への直接変換プロセスです。基本的な熱光起電力システムは、熱放射を放出する高温物体と、太陽電池に似ているが高温物体から放出されるスペクトルに調整された光起電力セルで構成されています。 [ 148 ]
TPVシステムは一般的に太陽電池よりも低温で動作するため、効率が低い傾向があります。シリコン以外の材料を用いた多接合セルを用いることでこれを補うのが一般的ですが、非常に高価です。そのため、現状ではTPVは宇宙船の電源や蒸気タービンなどの大型システムからの廃熱回収といったニッチな用途に限られています。
太陽光発電・熱電発電機（PV-TEG）ハイブリッドシステムは、太陽光発電（PV）セルと熱電発電機（TEG）を組み合わせたハイブリッドPVセルの一種です。[ 149 ] TEGは、2つの導電性材料の接合部で温度差が生じ、それによって起電力が発生する現象であるゼーベック効果を利用しています。 [ 150 ]結果として生じる電圧は、温度差に直接比例します。
光を電気に変換する過程で熱が放散するため、高温では太陽電池の効率が低下し、寿命が短くなります。[ 150 ] TEGをシステムに組み込むことで、太陽電池から熱を逃がし、電気に変換することが容易になり、効率と寿命が向上します。[ 151 ]
熱電性能指数ZTは、熱を電気に変換する効率と冷却能力を決定します。[ 152 ]電気伝導率(σ)、ゼーベック係数(S)、熱伝導率(κ)などのパラメータを最適化することは、効率を最大化するために重要です。
一般的な熱電材料のZT値は通常約1であり、これは約10%以下の効率に相当します。[ 152 ]一般的なTEGの変換効率は低いものの、BiTe（ZT = 2.4）、SnSe（ZT = 2.6）、ハーフホイスラー化合物（ZT = 1.6）などの熱電材料に関する継続的な研究により、長年にわたって効率が向上してきました。[ 152 ] [ 151 ]理論的な予測では、最適化の可能性が高いことが示されており、BiTeでは14、SnSeでは2.6、ハーフホイスラーでは2.2という値が推定されています。[ 152 ]
太陽の天頂距離がゼロより大きい場合、複数のソーラーモジュールをタワー内に垂直に積み重ねて設置することもできます。タワー全体を水平方向に回転させることができ、さらに各モジュールを水平軸を中心に回転させることも可能です。このようなタワーでは、モジュールは太陽を正確に追尾できます。このような装置は、回転可能な円盤に取り付けられた梯子として説明できます。この梯子の各段は、長方形のソーラーパネルの中央軸です。太陽の天頂距離がゼロになった場合、ソーラーモジュールが下のモジュールに影を落とさないように、「梯子」を北または南に回転させることができます。完全に垂直なタワーの代わりに、北極星に軸を向けたタワーを選択することもできます。つまり、地球の自転軸と平行な軸を持つタワーです。この場合、軸と太陽の間の角度は常に66度より大きくなります。日中は、この軸を中心にパネルを回転させるだけで太陽を追尾できます。設置は地上設置（農業や放牧と統合される場合もある）[ 153 ]、または建物の屋根や壁に組み込まれる（建物一体型太陽光発電）場合がある。
土地が限られている場合、PVは浮体式太陽光発電として展開できます。2008年、ファー・ニエンテ・ワイナリーは、130個のポンツーンに994枚の太陽光発電パネルを設置し、ワイナリーの灌漑池に浮かべることで、世界初の「浮体式太陽光発電」システムを先駆的に開発しました。[ 154 ] [ 155 ]このシステムの利点は、パネルが陸上よりも低い温度に保たれるため、太陽エネルギー変換効率が高くなることです。また、浮体式パネルは蒸発による水の損失量を減らし、藻類の繁殖を抑制します。[ 156 ]
集光型太陽光発電は、従来の平面型太陽光発電システムとは異なり、レンズと曲面鏡を用いて太陽光を集光し、小型ながら高効率な多接合型太陽電池に照射する技術です。これらのシステムは、効率を高めるために、太陽追尾装置や冷却システムを用いる場合もあります。
2019年には、米国コロラド州の国立再生可能エネルギー研究所で開発された多接合型集光太陽電池を使用して、太陽電池効率の世界記録である47.1%を達成しました。 [ 157 ]集光なしで達成された最高効率には、 2009年にシャープ株式会社が独自の三重接合製造技術を使用して達成した35.8%の材料[ 158 ]と、ボーイング・スペクトロラボ（三重層設計を使用して40.7%）があります。
主に競争上の優位性を得るために、太陽電池セルとモジュールの変換効率を高める努力が続けられています。太陽電池の効率を高めるには、太陽光スペクトルに合う適切なバンドギャップを持つ半導体材料を選択することが重要です。これにより、電気的および光学的特性が向上します。電荷収集方法の改善も効率を高めるのに役立ちます。開発中の材料はいくつかあります。超高効率デバイス（η>30%）[ 159 ]は、多接合タンデムセルでGaAsおよびGaInP2半導体を使用して作られています。高品質の単結晶シリコン材料は、高効率で低コストのセル（η>20%）を実現するために使用されています。
有機太陽電池（OPV）の最近の発展により、1980年代の導入以来、電力変換効率は3%から15%以上に大幅に向上しました。[ 160 ]現在までに報告されている最高電力変換効率は、小分子OPVで6.7～8.94%、ポリマーOPVで8.4～10.6%、ペロブスカイトOPVで7～21%です。[ 161 ] [ 162 ] OPVはPV市場で大きな役割を果たすと予想されています。最近の改良により、効率が向上し、コストが削減され、環境に優しく再生可能なままとなっています。
いくつかの企業は、スマートモジュールと呼ばれる電力最適化装置を太陽光発電モジュールに組み込み始めています。これらのモジュールは、各モジュールごとに最大電力点追従（MPPT）を実行し、監視のために性能データを測定し、追加の安全機能を提供します。このようなモジュールは、モジュールの一部に影が落ちると、モジュール内の1つまたは複数のセルストリングの電気出力が低下するという日陰の影響を補償することもできます。[ 163 ]
太陽電池の性能低下の主な原因の1つは過熱です。太陽電池の効率は、温度が1℃上昇するごとに約0.5%低下します。つまり、表面温度が100℃上昇すると、太陽電池の効率は約半分に低下する可能性があります。自己冷却型太陽電池は、この問題に対する解決策の1つです。表面を冷却するためにエネルギーを使用する代わりに、シリカからピラミッド型や円錐型の形状を形成し、ソーラーパネルの表面に取り付けることができます。そうすることで、可視光は太陽電池に到達しますが、赤外線（熱を運ぶ）は反射されます。[ 164 ]
地球表面に到達する太陽光の122 PWは豊富であり、 2005年に人間が消費した平均電力13 TWの約10,000倍である。[ 165 ]この豊富さから、太陽エネルギーが世界の主要エネルギー源になるのは時間の問題であると示唆されている。[ 166 ]さらに、太陽放射は再生可能エネルギーの中で最も高い電力密度（世界平均170 W/m 2）を持っている。[ 165 ]
太陽光発電は使用中に汚染物質を排出しないため、他のエネルギー源の代替として使用することで汚染を削減できます。たとえば、MITは、米国では石炭火力発電所の汚染により年間52,000人が早死にしていると推定しており[ 167 ]、これらの死亡のうち1人を除いてすべて、石炭の代わりに太陽光発電を使用することで防ぐことができるとしています[ 168 ] [ 169 ]。生産後の廃棄物と排出物は、既存の汚染防止装置を使用して管理可能です。使用後のリサイクル技術が開発中で[ 170 ]、生産者からのリサイクルを奨励する政策が策定されています[ 171 ]。
太陽光パネルは通常25年間保証されています（ただし、インバーターはそれよりも早く故障する傾向があります）[ 172 ] [ 173 ]。初期設置後はメンテナンスや介入がほとんど必要ないため、太陽光発電所を建設するための初期資本コストがかかった後は、既存の電力技術と比較して運用コストが非常に低くなります。PVの環境性能を向上させるアプローチの1つは、簡単に分解できるように設計された円形PVモジュールを使用することです。[ 174 ] [ 175 ]
屋上太陽光発電は地域で利用できるため、送配電損失を削減できます。[ 176 ]
化石燃料や原子力エネルギー源と比較すると、太陽電池の開発には研究資金がほとんど投入されていないため、改善の余地は大きい。しかしながら、集光型太陽電池の場合、実験的な高効率太陽電池はすでに40%を超える効率を達成しており[ 177 ]、効率は急速に向上している一方で、量産コストは急速に低下している[ 178 ] 。
米国の一部の州では、住宅所有者が引っ越し、購入者が売主よりもシステムの価値を低く評価した場合、住宅設置型システムへの投資の大部分が失われる可能性があります。バークレー市は、住宅とともに移転される税評価を追加して太陽光パネルの費用を支払うという革新的な資金調達方法を開発し、この制限を解消しました。[ 179 ]現在PACE （Property Assessed Clean Energy）として知られるこのソリューションは、米国の30州で模倣されています。[ 180 ]
メーター後方の屋上太陽光発電システムでは、エネルギーの流れは双方向になります。消費量よりもローカルでの発電量が多い場合、電力はグリッドに送電され、ネットメータリングが可能になります。しかし、従来の電力ネットワークは双方向のエネルギー転送に対応するように設計されていないため、技術的な問題が発生する可能性があります。これらのPV世帯からネットワークに電力が戻る際に、過電圧の問題が発生する可能性があります。[ 181 ]過電圧の問題に対処するための解決策として、PVインバータの力率調整、配電業者レベルでの新しい電圧およびエネルギー制御機器、電線の再導体化、デマンドサイドマネジメントなどがあります。これらの解決策には、多くの場合、制限とコストが伴います。
日中の発電量が多いと、正味の発電需要は減少しますが、日没後のピーク時の正味需要が増加すると、電力会社の発電所を急速に増設する必要が生じ、ダックカーブと呼ばれる負荷プロファイルが発生します。
ニューサウスウェールズ大学のエンジニアが開発した新しい太陽電池構成により、太陽光から電気への変換効率が 34.5% に押し上げられ、集光されていない太陽光に対する世界新記録が樹立され、このようなデバイスの理論上の限界に近づきました。
これらの効率は、NREL、AIST、JRC-ESTI、フラウンホーファーISEなどの独立した国際的に認められた試験機関によって検証されています。
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