太陽電池の効率

温度T _sの熱源と温度T _cのより低温のヒートシンクがある場合、得られる仕事 (または電力) と供給される熱の比の理論的に可能な最大値は、カルノー熱機関によって与えられる1- T _c / T _sです。太陽の温度を6000 K、地球の周囲条件を 300 K とすると、これは 95% になります。^{[ 16 ]}  

1981年、アレクシス・デ・ヴォスとヘルマン・パウエルスは、無限大（入射光子が最初に遭遇するセル）からゼロまでのバンドギャップを持つ無限数のセルを積み重ね、各セルの電圧を開放電圧に非常に近い値（そのセルのバンドギャップの95%に相当）にし、6000  Kの黒体放射をあらゆる方向から照射することで、これが実現可能であることを示した。しかし、この方法で達成される95%の効率は、電力が吸収される正味の光量の95%であることを意味する。スタックはゼロ以外の温度を持つため放射を放出し、伝達される熱量と効率を計算する際 には、この放射を入射放射から差し引かなければならない。彼らはまた、6000 Kの黒体放射によってあらゆる方向から照射されるスタックの出力電力を最大化するという、より重要な問題についても検討した。この場合、電圧をバンドギャップの95%未満に下げる必要がある（この割合はすべてのセルで一定ではない）。入射する集光太陽光放射を利用した無限個のセルのスタックの場合、計算された理論上の最大効率は86.8%である。^{[ 17 ]}入射放射が太陽と同じ大きさの空の領域からのみ来る場合、効率の限界は68.7%に低下する。^{[ 18 ]}

しかし、通常の太陽光発電システムはp-n接合が1つしかないため、ショックレーとクイサーが「究極効率」と呼んだ低い効率限界に制約されます。吸収体材料のバンドギャップよりもエネルギーの低い光子は電子-正孔対を生成できないため、そのエネルギーは有用な出力に変換されず、吸収されたとしても熱を発生させるだけです。

バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーを持つ光子の場合、バンドギャップを超えるエネルギーのごく一部のみが有用な出力に変換されます。より大きなエネルギーを持つ光子が吸収されると、バンドギャップを超える余剰エネルギーはキャリア結合の運動エネルギーに変換されます。余剰運動エネルギーは、キャリアの運動エネルギーが平衡速度まで減速するにつれて、フォノン相互作用を介して熱に変換されます。太陽光スペクトルに最適なバンドギャップを持つ従来の単接合セルは、最大理論効率がショックレー・クイサー限界である33.16%です。^{[ 19 ]}

複数のバンドギャップ吸収材料を用いた太陽電池は、太陽光スペクトルをより小さなビンに分割し、各ビンの熱力学的効率限界を高くすることで効率を向上させる。^{[ 20 ]}

太陽電池が光子を吸収すると、電子・正孔対が生成される。キャリアの1つがp-n接合に到達し、太陽電池が生成する電流に寄与する場合、そのキャリアは収集されると言われる。あるいは、キャリアは再結合し、セル電流への正味の寄与はない。

量子効率とは、セルが短絡状態で動作しているときに、光子が電流（つまり、収集されたキャリア）に変換される割合を指します。太陽電池について話すときに通常言及される量子には、外部量子効率と内部量子効率の 2 種類があります。外部量子効率 (EQE) は、太陽電池の測定可能な特性に関連しています。シリコン太陽電池の「外部」量子効率には、透過や反射などの光学的損失の影響が含まれます。これらの損失を低減するための対策を講じることができます。入射エネルギー全体の最大 10% を占める反射損失は、平均光路を変更する光閉じ込め方法であるテクスチャリングと呼ばれる技術を使用することで劇的に低減できます。^{[ 21 ]}

内部量子効率 (IQE) は、吸収係数や内部発光量子効率などの内部材料パラメータに関する洞察を与えます。^{[ 22 ]} IQE は主にデバイスではなく特定の材料の可能性を理解するのに役立ちます。^{[ 22 ]}量子効率は、スペクトル測定 (つまり、光子の波長またはエネルギーの関数)として表現するのが最も有用です。波長によっては他の波長よりも効果的に吸収されるため、量子効率のスペクトル測定は、半導体バルクと表面の品質に関する貴重な情報を提供できます。量子効率は、太陽電池によって変換される電力の割合に関する情報を伝達しないため、全体的なエネルギー変換効率とは異なります。

太陽電池は、幅広い電圧（V）と電流（I）の範囲で動作可能です。照射された太陽電池にかかる抵抗負荷を、ゼロ（短絡状態）から非常に高い値（開放状態）まで連続的に増加させることで、最大電力点、すなわちV × Iが最大となる点を特定できます。これは、その照射レベルにおいて太陽電池が最大の電力を供給できる負荷値です。（短絡状態と開放状態の両極端では、出力電力はゼロになります。）

太陽電池の最大電力点は温度の影響を受けます。特定の太陽電池の技術データが分かれば、特定の温度における出力電力は次のようにして得られます。${\displaystyle P(T)=P_{STC}+{\frac {dP}{dT}}(T_{cell}-T_{STC})}$、 どこ${\displaystyle P_{STC}}$これは標準試験条件下で発生する電力です。${\displaystyle T_{cell}}$これは太陽電池の実際の温度です。

高品質の単結晶シリコン太陽電池は、 セル温度25℃で0.60Vの開放電圧（V _OC）を生成する可能性があります。太陽光が十分に当たっている場合、気温が25℃であっても、セル温度は45 ℃近くになる可能性が高く、開放電圧はセルあたり0.55Vに低下します。このタイプのセルでは、短絡電流（I _SC）に近づくまで電圧は緩やかに低下します。最大出力（セル温度45℃の場合）は、通常、開放電圧（この場合は0.43V）の75～80%と短絡電流の90%で生成されます。この出力は、 V _OC × I _SCの積の最大70%に達する可能性があります。太陽電池の短絡電流（I _SC）は照度にほぼ比例しますが、開放電圧（V _OC）は照度が80%低下してもわずか10%しか低下しません。低品質の太陽電池は電流の増加に伴って電圧がより急速に低下し、 1/2 I _SCで1/2 V _OCしか生成できない場合があります。そのため、使用可能な出力はV _{OC x I SCの積の70%から50%、場合によっては25%まで低下する可能性があります。負荷曲線を提供せずに太陽電池の「出力」をV OC} x I _SCのみで評価するベンダーは、_実際の_性能を著しく歪めている可能性があります。        

太陽光発電の最大電力点は入射光によって変化します。たとえば、太陽光発電パネルにほこりが蓄積すると、最大電力点が低下します。^{[ 23 ]}最近、静電洗浄システムを利用してソーラーパネルからほこりを除去する新しい研究が開発されました。このようなシステムでは、ソーラーパネルの表面に印加された静電場により、ほこりの粒子が「フリップフロップ」のように動きます。^{[ 24 ]}その後、重力とソーラーパネルがわずかに傾斜しているという事実により、ほこりの粒子は重力によって下向きに引っ張られます。^{[ 24 ]}

これらのシステムは消費電力が少なく、特に砂漠地帯など、塵埃の蓄積によってソーラーパネルの性能が低下するような場所に設置した場合、太陽電池の性能を向上させます。また、追加費用に見合うだけの規模のシステムでは、最大電力点追従装置（MPPT）が電圧と電流（ひいては電力伝送量）を継続的に測定することで瞬時電力を追跡し、この情報に基づいて負荷を動的に調整することで、照明条件の変化に関わらず常に最大電力が伝送されるようにします。

太陽電池の全体的な挙動を決定づけるもう一つの重要な指標は、フィルファクター（FF）です_。この係数は太陽電池の品質を示す指標であり、最大電力点（Pm）における利用可能な電力を_開放電圧（VOC）と短絡電流_（ ISC ）で割った値です。

${\displaystyle FF={\frac {P_{m}}{V_{OC}\times I_{SC}}}={\frac {\eta \times A_{c}\times G}{V_{OC}\times I_{SC}}}.}$

フィルファクターは、IV スイープでグラフィカルに表すことができ、これは異なる長方形の面積の比率です。^{[ 25 ]}フィルファクターは、セルの直列抵抗、並列抵抗、およびダイオード損失の値に直接影響されます。並列抵抗 (R _sh ) を増やし、直列抵抗(R _s ) を減らすと、フィルファクターが高くなり、その結果、効率が向上し、セルの出力電力が理論上の最大値に近づきます。^{[ 26 ]}一般的なフィルファクターは 50% ～ 82% です。通常のシリコン PV セルのフィルファクターは 80% です。

エネルギー回収時間とは、最新の太陽光発電モジュールの製造に費やされたエネルギーを回収するために必要な時間のことです。2008年の推定では、モジュールの種類と場所によって1～4 年とされています^{[ 41 ] [ 42 ]}。一般的な寿命が20～30年であることを考えると、これは最新の太陽電池が正味のエネルギー生産者、つまり、製造に費やされたエネルギーよりも寿命中に多くのエネルギーを生成することを意味します^{[ 41 ] [ 43 ] [ 44 ]} 。一般的に、薄膜 技術は、変換効率が比較的低いにもかかわらず、従来のシステムよりも大幅に短いエネルギー回収時間（多くの場合1年未満）を実現します^{[ 45 ] 。}

2013 年に発表された研究では、エネルギー回収期間は 0.75 ～ 3.5 年で、薄膜セルが下限、多結晶シリコン (マルチ Si) セルの回収期間は 1.5 ～ 2.6 年であることがわかった。^{[ 46 ]} 2015 年のレビューでは、太陽光発電のエネルギー回収期間とEROI を評価した。このメタ研究では、1,700  kWh/m ² /年の日射量と 30 年のシステム寿命を使用し、平均調和 EROI は 8.7 ～ 34.2 であることがわかった。平均調和エネルギー回収期間は 1.0 ～ 4.1 年であった。^{[ 47 ]}結晶シリコンデバイスは平均して 2 年のエネルギー回収期間を達成する。^{[ 41 ] [ 48 ]}

他のあらゆる技術と同様に、太陽電池の製造は複雑なグローバル産業製造システムの存在に依存している。これには、製造エネルギーの推定で通常考慮される製造システム、付随する採掘、精製、グローバル輸送システム、および金融、情報、セキュリティシステムなどのエネルギー集約型サポートシステムが含まれる。このようなエネルギーオーバーヘッドを測定することの難しさは、投資回収期間の推定に不確実性をもたらす。^{[ 49 ]}

薄膜太陽電池の一部のタイプの光照射面には、活性材料に光を透過させ、生成された電荷キャリアを収集するための透明な導電膜があります。一般的に、この目的には、酸化インジウムスズ、導電性ポリマー、導電性ナノワイヤネットワークなど、高い透過率と高い電気伝導率を持つ膜が使用されます。高い透過率と電気伝導率の間にはトレードオフがあるため、高効率を実現するには、導電性ナノワイヤまたは導電性ネットワーク構造の最適な密度を選択する必要があります。^{[ 11 ]}

太陽電池に光散乱効果を取り入れることは、光起電力材料の吸収係数が低い低エネルギー太陽光光子（主に近赤外域）の吸収を増加させるためのフォトニック戦略である。このような光閉じ込め方式は、入射方向から光線を偏向させることで、セル吸収体内での光路長を長くすることによって実現される。^{[ 51 ]}

光拡散を実現するために従来用いられてきた手法は、テクスチャ加工された背面/前面に基づいているが、回折格子、金属または誘電体ナノ/マイクロ粒子の配列、波動光学マイクロ構造化などに基づく多くの代替光学設計が有望な結果とともに実証されている。^{[ 52 ] [ 53 ]}これらの構造をデバイスの前面に適用すると、幾何学的反射防止コーティングとして機能し、同時に出射光の反射を低減することができる。

例えば、セルの受光面にナノサイズの金属スタッドを配置すると、セルの効率を大幅に向上させることができます。光はこれらのスタッドからセルに対して斜めの角度で反射され、セルを通過する光路の長さが長くなります。これにより、セルに吸収される光子の数と生成される電流の量が増加します。^{[ 54 ]}ナノスタッドに使用される主な材料は、銀、金、アルミニウムです。金と銀は、太陽光に含まれるエネルギーの大部分を含む可視光スペクトルの光を多く吸収するため、セルに到達する光の量が減少し、効率はあまり高くありません。^{[ 54 ]}アルミニウムは紫外線のみを吸収し、可視光と赤外線の両方を反射するため、エネルギー損失が最小限に抑えられます。アルミニウムは、セルの効率を最大22%まで向上させることができます（実験室条件下）。^{[ 55 ]}

反射防止コーティングは、太陽電池から反射される太陽光を低減し、光起電力吸収体への透過光を増加させるように設計されている。^{[ 56 ]}これは、前面（多層）構造に基づくコーティングなど、反射光波の破壊的干渉を引き起こすこと、および／または自然から着想を得た多くの構造による表面形状による幾何学的屈折率整合によって実現できる。^{[ 57 ]}

例えば、亜波長円錐形ナノ構造の六角形配列であるニップルアレイは、蛾の目の表面で見ることができる。^{[ 57 ]}このような表面構造を利用することで反射損失が25%最小限に抑えられ、追加で捕捉された光子が太陽電池のエネルギーの12%増加に変換されることが報告されている。^{[ 57 ]}

表面の微細構造（テクスチャリングやその他のフォトニック特徴によって実現されるものなど）の使用は、反射防止を実現する方法として使用できます。これは、太陽電池の表面を変更して、入射光が空気から光起電力材料に向かって進むときに、実効屈折率が徐々に増加するようにするものです。これらの表面は、エッチングまたはリソグラフィーを使用して作成できます。同時に、光散乱効果を促進し、特に長波長の太陽光光子の吸収をさらに強化します。^{[ 50 ]}表面のテクスチャリングに加えて平坦な背面を追加すると、セル内に光を閉じ込めるのにさらに役立ち、より長い光路を提供します。

太陽電池の温度が約 1 °C 上昇すると、 効率が約 0.45% 低下します。これを防ぐために、透明なシリカ結晶層を太陽電池パネルに適用することができます。シリカ層は熱黒体として機能し、赤外線放射として熱を宇宙に放出し、セルを最大 13  °C まで冷却します。^{[ 58 ]}放射冷却により、太陽電池の寿命を延ばすことができます。^{[ 59 ]}太陽エネルギーと放射冷却の完全なシステム統合は、複合 SE-RC システムと呼ばれ、非統合システムと比較して単位面積あたりのエネルギー利得が高いことが実証されています。^{[ 60 ]}

表面パッシベーションは太陽電池の効率にとって重要です。^{[ 61 ]}量産型太陽電池の前面には多くの改良が加えられてきましたが、アルミニウムの背面が効率の向上を妨げています。^{[ 62 ]}多くの太陽電池の効率は、いわゆるパッシベーションエミッタおよびリアセル（PERC）の作成によって向上しました。シリコン太陽電池の効率向上には、薄いシリカまたは酸化アルミニウム膜の上に窒化シリコン膜を重ねた背面誘電体パッシベーション層スタックの化学的堆積が役立ちます。これにより、市販のCz-Siウェーハ材料のセル効率は2010年代半ばまでに17%強から21%強に向上し、^{[ 63 ]}準単結晶シリコンのセル効率は記録的な19.9%に達しました。

シリコン太陽電池の裏面パッシベーションの概念は、CIGS太陽電池にも適用されている。[ ^{64 ]裏面}パッシベーションは、効率を向上させる可能性を示している。パッシベーション材料としてAl2O3_とSiO2_が使用_されている。Al2O3層上のナノサイズの点コンタクト_[ ^{65 ]と}SiO2層上の線コンタクト^{[ 66 ]}により_{、 CIGS吸収層と}裏面電極モリブデンとの電気的接続が実現される。Al2O3層上の点コンタクトは電子ビームリソグラフィで、SiO2層上の線コンタクトは_フォトリソグラフィで_それぞれ作製される。また、パッシベーション層の実装はCIGS層の形態を変化させない。

効率を直接的に向上させる戦略ではないものの、薄膜材料は低コストで既存の構造や技術フレームワークに適合できるという点で、太陽電池にとって大きな可能性を秘めている。^{[ 67 ]}材料が非常に薄いため、バルク材料太陽電池のような光吸収がない。これを修正する試みとして、光散乱を促進する光閉じ込め方式などが実証されている。^{[ 68 ]}また、薄膜表面の再結合も重要である。これはナノスケール薄膜太陽電池の主要な再結合プロセスであるため、その効率にとって極めて重要である。二酸化ケイ素のパッシベーション薄膜を追加することで再結合を低減できる可能性がある。

タンデム太陽電池は、効率を高めるために2つの材料を組み合わせています。2022年には、複数のペロブスカイトと複数のシリコン層を組み合わせたデバイスが発表されました。ペロブスカイトは青色光を吸収し、シリコンは赤色と赤外線波長を拾います。このセルは32.5%の効率を達成しました。^{[ 69 ]}