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太陽電池（光起電力セル（PVセル）とも呼ばれる）は、光起電力効果を利用して光のエネルギーを直接電気に変換する電子デバイスです。[ 1 ]これは光電セルの一種で、光にさらされると電気特性（電流、電圧、抵抗など）が変化するデバイスです。個々の太陽電池デバイスは、一般的に「ソーラーパネル」として知られる太陽光発電モジュールの電気的な構成要素となることがよくあります。市販のPVセルのほぼすべては結晶シリコンで構成されており、市場シェアは95%です。残りはテルル化カドミウム薄膜太陽電池です。 [ 2 ]一般的な単接合シリコン太陽電池は、最大で約0.5～0.6ボルトの開放電圧を生成できます。[ 3 ]
太陽電池は、太陽光または人工光の下で動作します。太陽光発電に加えて、可視光領域付近の光やその他の電磁波を検出したり、光強度を測定したりする光検出器（例えば赤外線検出器）としても使用できます。
太陽電池の動作には、3つの基本的な特性が必要です。
太陽電池の出力電力に影響を与える入力要因は、温度、材料特性、気象条件、日射量など多岐にわたります。[ 4 ]
同様のタイプの「光電解セル」（光電気化学セル）は、デバイスを指すことができる。
直接電力を出力するのとは対照的に、太陽熱集熱器は太陽光を吸収して、
太陽電池アレイは、太陽光から使用可能な量の直流（DC）を生成するソーラーモジュールを作るために使用されます。ソーラーモジュールをストリング状に連結することでソーラーアレイが構成され、太陽エネルギーを利用して太陽光発電を行います。多くの場合、インバーターを使用して太陽光発電を交流（ AC）に変換します。
太陽エネルギーや日光で走行する電気自動車は、一般的にソーラーカーと呼ばれています。[ 5 ]これらの車両は、吸収した光を電気モーターで使用する電気エネルギーに変換するソーラーパネルを使用し、余剰エネルギーはバッテリーに蓄えられます。[ 6 ]ソーラーカーのバッテリーは、車両の電気部品に長時間電力を供給するように設計されているため、標準的な内燃機関車の始動用バッテリーとは異なります。 [ 7 ]
車両用途における太陽電池の最初の例は、1900年代後半半ば頃でした。太陽光発電輸送の宣伝と認知度を高めるため、ハンス・トルストルップは1987年に第1回ワールドソーラーチャレンジを開催することを決定しました。これはオーストラリアの奥地を横断する3000kmのレースで、世界中の産業研究グループやトップ大学の参加者が招待されました。ゼネラルモーターズは、時速40マイルを超える速度を達成したサンレイサー車両で、このイベントで大差で優勝しました。一般的に信じられていることとは異なり、太陽光発電車は最も古い代替エネルギー車両の1つです。[ 8 ]
複数の太陽電池が一体化され、すべて同一平面上に配置されたものが、太陽光発電パネルまたはモジュールを構成する。太陽光発電モジュールは、太陽光が当たる側にガラス板が設けられており、光を通しながら半導体ウェハーを保護する。太陽電池を直列に接続すると電圧が加算され、並列に接続すると電流が加算される。
バイパスダイオードやシャントダイオードのない並列セルが日陰になると、弱い（光量の少ない）並列ストリング（各ストリングは直列接続された複数のセル）がシャットダウンし、光が当たっているセルから日陰になったセルに逆バイアスがかかるため、大きな電力損失や損傷が発生する可能性があります。[ 9 ]
太陽光発電モジュールは相互接続することで、所望の最大直流電圧と負荷電流容量を持つアレイを構築できます。この機能は、単に所望の電圧と電流を生成するだけでなく、MPPT（最大電力点追従装置）やモジュールレベル電力電子（MLPE）ユニット（マイクロインバーターやDC-DCオプティマイザーなど）といった、より多くの機能を持つ様々な太陽光発電機器でも実現可能です。
複数の太陽電池を1つの平面に組み立てると、太陽光発電（PV）パネルまたはモジュールが形成されます。これらのモジュールは通常、太陽光が当たる側にガラス板を備えており、太陽光を透過させながら半導体ウェハを環境要因から保護します。太陽電池を直列に接続すると電圧出力が増加し、並列に接続すると電流出力が増加します。[ 10 ]
ソーラーモジュールには、日陰になったセルを分離し、ストリング全体の性能に影響を与えないようにするバイパスダイオードが装備されていることが多い。これらのダイオードにより、電流は日陰になったセルや性能の低いセルをバイパスできるため、電力損失が最小限に抑えられ、損傷のリスクが軽減される。[ 11 ]
2020年までに、米国の公益事業規模のシステムの1ワットあたりのコストは0.94ドルまで低下した。[ 14 ]
太陽電池が初めて重要な用途で使用されたのは、 1958年にヴァンガード衛星に提案され、搭載された時で、主電源であるバッテリーの代替電源として用いられた。機体の外側に太陽電池を追加することで、宇宙船やその電源システムに大きな変更を加えることなく、ミッション時間を延長することができた。1959年には、米国がエクスプローラー6号を打ち上げ、翼型の大型太陽電池アレイを搭載した。このアレイは、衛星の一般的な特徴となった。このアレイは、9600個のホフマン太陽電池で構成されていた。
1960年代までに、太陽電池は（そして現在も）地球周回衛星のほとんどと太陽系探査機の主要電源となっていた。これは、太陽電池が最高の出力重量比を提供していたためである。宇宙太陽光発電市場の成功は、他の電源オプションが限られていたことと、可能な限り最高の太陽電池を求めるニーズから、太陽電池の高効率化を促進した。そして、国立科学財団の「国家ニーズへの応用研究」プログラムが地上用途向けの太陽電池の開発を推進し始めるまで、この状況は続いた。
1990年代初頭、宇宙用太陽電池に使用される技術は、地上用パネルで使用されるシリコン技術から分岐し、宇宙船用途ではガリウムヒ素系III-V族半導体材料が用いられるようになりました。その後、軽量、コンパクト、柔軟で高効率な現代のIII-V族多接合型太陽電池へと進化しました。衛星に搭載されている最先端技術では、太陽エネルギーのより広いスペクトルを利用するために、バンドギャップの異なる複数のp-n接合で構成された多接合型太陽電池が使用されています。さらに、宇宙用太陽電池は、地上用パネルで使用される保護層とも異なり、宇宙用途では柔軟な積層層が使用されています。
さらに、大型衛星は発電のために大型太陽電池アレイを必要とします。これらの太陽電池アレイは、衛星が軌道に投入される前に、衛星が乗るロケットの幾何学的制約に収まるように分解する必要があります。従来、衛星の太陽電池は、複数の小型地上パネルを折り畳んだものでした。これらの小型パネルは、衛星が軌道に投入された後に展開され、大型パネルになります。最新の衛星は、非常に軽量で非常に小さな体積に収納できる柔軟な巻き取り式太陽電池アレイの使用を目指しています。これらの柔軟なアレイのサイズと重量が小さいため、ペイロード重量とロケットの打ち上げコストの間に直接的な関係があるため、衛星の打ち上げコスト全体が大幅に削減されます。[ 15 ]
2020年、米国海軍研究所は、ボーイングX-37に搭載された太陽光発電無線周波数アンテナモジュール（PRAM）実験で、衛星における太陽光発電の最初のテストを実施した。[ 16 ] [ 17 ]
光起電力効果は、フランスの物理学者エドモン・ベクレルによって初めて実験的に実証されました。1839年、19歳のベクレルは、父親の研究室で世界初の光起電力セルを製作しました。ウィロビー・スミスは、 1873年2月20日号の『ネイチャー』誌で、「電流が流れる際のセレンへの光の影響」について初めて記述しました。1876年、ウィリアム・グリルズ・アダムスとリチャード・エバンス・デイは、最初の固体光起電力セルを製作しました。[ 18 ] 1883年、チャールズ・フリッツは、半導体セレンを薄い金の層でコーティングして接合部を形成することにより、別の固体光起電力セルを製作しました。このデバイスの効率は約1%でした。[ 19 ]その他のマイルストーンには、次のものがあります。
価格と効率の改善は1960年代を通じて徐々に進みました。コストが高止まりした理由の一つは、宇宙ユーザーが可能な限り最高のセルに喜んでお金を払い、低コストで効率の低いソリューションに投資する理由がなかったためです。また、価格は主に半導体業界によって決定されました。1960年代に半導体業界が集積回路に移行したことで、より大きなインゴットが相対的に低い価格で入手可能になりました。その価格が下がると、結果として得られるセルの価格も下がりました。これらの効果により、1971年のセルのコストは1ワットあたり約10万ドルまで下がりました。[ 30 ]
1969年後半、エリオット・バーマンは30年後のプロジェクトを探していたエクソンのタスクフォースに参加し、1973年4月には当時エクソンの完全子会社であったソーラー・パワー・コーポレーション（SPC）を設立した。 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]グループは、2000年までに電力価格が大幅に上昇すると結論付け、価格上昇によって代替エネルギー源の魅力が高まると考えた。彼は市場調査を実施し、1ワットあたり約20ドルの価格であれば大きな需要が生まれると結論付けた。[ 31 ]コスト削減のため、チームは
1973年までに彼らは製品を発表し、SPCはタイドランド・シグナル社に、当初は米国沿岸警備隊向けの航路標識ブイの電源として自社のパネルを使用するよう説得した。 [ 32 ]
地上用途向け太陽光発電の研究は、1969年から1977年まで実施された米国国立科学財団の先進太陽エネルギー研究開発部門による「国家ニーズへの応用研究」プログラムで注目を集め、地上電力システム向け太陽光発電の開発研究に資金を提供しました。 [ 35 ] 1973年の「チェリーヒル会議」では、この目標を達成するために必要な技術目標が設定され、それを達成するための野心的なプロジェクトの概要が示され、数十年にわたって継続される応用研究プログラムが開始されました。[ 36 ]このプログラムは最終的にエネルギー研究開発局（ERDA）に引き継がれ、[ 37 ]後に米国エネルギー省に統合されました。
1973年の石油危機後、石油会社は利益の増加を利用して太陽光発電会社を設立（または買収）し、数十年にわたり最大の生産者となった。エクソン、ARCO、シェル、アモコ（後にBPに買収）、モービルはいずれも1970年代と1980年代に主要な太陽光発電部門を持っていた。ゼネラル・エレクトリック、モトローラ、IBM、タイコ、RCAなどのテクノロジー企業も参加した。[ 38 ]
インフレ調整後、1970年代半ばのソーラーモジュールの価格は1ワットあたり96ドルでした。プロセスの改善と生産の大幅な増加により、その価格は99%以上低下し、2018年には1ワットあたり30セント [ 41 ] 、2020年には1ワットあたり20セントまで下がりました [ 42 ]。スワンソンの法則は、ムーアの法則に似た観察結果で、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%下がるというものです。これは、2012年後半に英国の週刊紙エコノミストの記事で取り上げられました[ 43 ]。現在、バランスオブシステムコストはソーラーパネル単体よりも高くなっています。2018年には、商用アレイは1ワットあたり1ドル未満で完全に稼働させることができました[ 14 ] 。
太陽電池やソーラーパネルのコストは、数十年にわたり、様々な理由で低下してきた。
1990年代には、ポリシリコン（「ポリ」）セルがますます普及しました。これらのセルは、モノシリコン（「モノ」）セルに比べて効率は劣りますが、大型のタンクで製造されるためコストが抑えられます。2000年代半ばには、ポリシリコンが低価格パネル市場で主流となりましたが、近年では効率の向上により、モノシリコンセルが再び広く使用されるようになりました。
結晶シリコンパネルは世界市場を席巻しており、そのほとんどは中国と台湾で製造されている。2011年末までに、欧州の需要の減少により、結晶シリコン太陽電池モジュールの価格は2010年から大幅に下落し、1ワットあたり約1.09ドル[ 46 ]となった。価格は2012年も下落を続け、2012年第4四半期には1ワットあたり0.62ドルに達した[ 47 ] 。
PVからの電力はヨーロッパ全土で卸売電力コストと競争力を持つと予想され、結晶シリコンモジュールのエネルギー回収期間は2020年までに0.5年未満に短縮される可能性がある。[ 48 ]
コストの低下は、再生可能エネルギーの急速な成長における最大の要因の 1 つです。2016 年、太陽光発電はアジアで最も急速に成長しており、中国と日本が現在、世界の導入量の半分を占めています。[ 49 ]太陽光発電のコストは、2010 年 (太陽光と風力が世界の発電量の 1.7% を占めていたとき) から 2021 年 (8.7% を占めていたとき) の間に約 85% 低下しました。[ 50 ]世界の PV 設備容量は 2016 年に少なくとも 301 ギガワットに達し、2016 年までに世界の電力の 1.3% を供給するまでに成長しました。[ 51 ] 2019 年に太陽電池は、720 Tw-hr で世界の発電量の約 3% を占めました。 [ 52 ]
太陽光発電専用の固定価格買取制度は、国によって、また国内でも異なります。このような制度は、太陽光発電プロジェクトの開発を促進し、グリッドパリティの達成を促すことができます。グリッドパリティとは、太陽光発電が補助金なしの電力網からの電力と同等かそれよりも安くなる時点のことで、カリフォルニアや日本のように日照量が多く電気料金が高い地域で最初に達成されると予想されています。[ 53 ] 2007年、BPはハワイや、ディーゼル燃料で発電している他の島々でグリッドパリティを達成したと主張しました。ジョージ・W・ブッシュは、米国でグリッドパリティを達成する期限を2015年と定めました。[ 54 ] [ 55 ]太陽光発電協会は2012年に、オーストラリアがグリッドパリティを達成したと報告しました（固定価格買取制度は考慮していません）。[ 56 ]
太陽光パネルの価格は40年間着実に下落し続けましたが、2004年にドイツで高額な補助金により需要が急増し、精製シリコン（コンピューターチップや太陽光パネルにも使用される）の価格が大幅に上昇したことで下落が中断されました。世界金融危機と中国の製造業の台頭により、価格は再び下落に転じました。2008年1月以降の4年間で、ドイツにおける太陽光モジュールの価格はピークワットあたり3ユーロから1ユーロに下落しました。同時期に生産能力は年間50%以上の成長率で急増しました。中国は太陽光パネル生産の市場シェアを2008年の8%から2010年第4四半期には55%以上に拡大しました。[ 57 ] 2012年12月には、中国製太陽光パネルの価格は0.60ドル/Wp（結晶モジュール）まで下落しました。[ 58 ]（Wpはワットピーク容量、つまり最適条件下での最大容量を表します。[ 59 ]）
2016年末時点で、組み立て済み太陽光パネル（セルではない）のスポット価格が過去最低の0.36米ドル/Wpまで下落したと報告された。2番目に大きな供給業者であるCanadian Solar Inc.は、2016年第3四半期のコストが0.37米ドル/Wpで、前四半期から0.02ドル下落したため、おそらくまだ少なくとも損益分岐点に達していた。多くの生産者は、2017年末までにコストが0.30ドル付近まで下がると予想していた。[ 60 ]また、世界のいくつかの地域では、新しい太陽光発電設備の設置費用が石炭火力発電所よりも安く、10年以内に世界のほとんどの地域でそうなると予想されていたことも報告された。[ 61 ]
太陽電池は、シリコンなどの半導体材料をp-n接合に加工して作られます。このような接合は、例えばシリコンの場合、片側をp型、もう片側をn型にドーピングすることによって形成されます。具体的には、それぞれ少量のホウ素またはリンを導入することによって実現されます。
太陽電池は、シリコン基板の「ドーピング」を利用して活性化エネルギーを下げ、それによって光子を回収可能な電子に変換する効率を高めます。[ 63 ]ホウ素（p型）などのドーピング化学物質を半導体結晶に添加することで、ドナーとアクセプターのエネルギー準位を価電子帯と伝導帯にかなり近づけます。[ 64 ] このように、ホウ素不純物を添加することで、活性化エネルギーを1.12 eVから0.05 eVへと20分の1に減らすことができます 。電位差（E B）が非常に小さいため、ホウ素は室温で熱イオン化することができます。これにより、伝導帯と価電子帯に自由エネルギーキャリアが生成され、光子を電子に変換する効率が向上します。
動作時、太陽光の光子は太陽電池に当たり、半導体によって吸収されます。光子が吸収されると、電子は価電子帯から伝導帯へ（有機太陽電池の場合は占有分子軌道から非占有分子軌道へ）励起され、電子-正孔対が生成されます。電子-正孔対がp型材料とn型材料の接合部付近で生成されると、局所的な電界によってそれらは反対側の電極へと掃引され、一方の側に過剰な電子、もう一方の側に過剰な正孔が生じます。太陽電池が接続されていない場合（または外部の電気負荷が非常に高い場合）、電子と正孔は最終的に電界に逆らって接合部を横切って拡散し、互いに再結合して熱を放出することで平衡状態に戻りますが、負荷が十分に小さい場合は、過剰な電子が外部回路を循環して有用な仕事をすることで平衡状態が回復しやすくなります。
最もよく知られている太陽電池は、シリコン製の大面積p-n接合として構成されています。その他の太陽電池の種類としては、有機太陽電池、色素増感太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、量子ドット太陽電池などがあります。太陽電池の光照射側には、通常、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。[ 62 ]
太陽電池の効率は、反射効率、熱力学的効率、電荷キャリア分離効率、導電効率に分解できます。総合効率は、これらの個々の指標の積で表されます。
太陽電池の電力変換効率は、入射電力のうち電気に変換される割合によって定義されるパラメータである。[ 65 ]
太陽電池には、電圧に依存する効率曲線、温度係数、および許容される影の角度がある。
これらのパラメータを直接測定することが困難であるため、熱力学的効率、量子効率、積分量子効率、V OC比、フィルファクターなどの他のパラメータが代用されます。反射損失は、「外部量子効率」に含まれる量子効率の一部です。再結合損失は、量子効率、V OC比、フィルファクターの別の部分を構成します。抵抗損失は主にフィルファクターに分類されますが、量子効率、V OC比にもわずかに含まれます。
フィルファクターは、実際に得られる最大電力と開放電圧と短絡電流の積との比です。これは、性能を評価する上で重要なパラメータです。2009年、一般的な市販の太陽電池のフィルファクターは0.70以上でした。グレードBのセルは通常0.4～0.7でした。[ 66 ]フィルファクターの高いセルは、等価直列抵抗が低く、等価並列抵抗が高いため、セルによって生成された電流のうち内部損失で消費される量が少なくなります。
単一のp-n接合結晶シリコンデバイスは現在、 1961年にショックレー・クイサー限界として指摘された理論上の限界電力効率33.16%に近づいている[ 67 ]。極限では、無限の層数で、集光太陽光を使用した場合の対応する限界は86%である[ 68 ] 。
2014年には、3社がシリコン太陽電池の記録である25.6%を破った。パナソニックの太陽電池が最も効率的だった。同社は前面の電極をパネルの背面に移動させ、影になる部分をなくした。さらに、（高品質のシリコン）ウェハの表裏に薄いシリコン膜を塗布し、ウェハ表面またはその近傍の欠陥をなくした。[ 69 ]
2015年、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（Fraunhofer ISE）、 CEA-LETI、SOITECのフランス・ドイツ共同研究により、4接合GaInP / GaAs // GaInAsP / GaInAs太陽電池が、46.1%（太陽光の集光比 = 312）という新たな実験室記録効率を達成した。[ 70 ]
2015 年 9 月、フラウンホーファー ISE は、エピタキシャル ウェーハセルの効率が 20% を超えたことを発表した。大気圧化学気相成長法(APCVD) インライン生産チェーンの最適化作業は、フラウンホーファー ISE からスピンオフして生産を商業化した NexWafe GmbH と共同で行われた。[ 71 ] [ 72 ]
三重接合型薄膜太陽電池の世界記録は2015年6月に樹立された13.6%である。[ 73 ]
2016年、フラウンホーファーISEの研究者らは、集光なしで30.2%の効率を達成した2端子のGaInP / GaAs / Si三重接合太陽電池を発表した。 [ 74 ]
2017年、国立再生可能エネルギー研究所（NREL）、EPFL、およびCSEM（スイス）の研究者チームは、デュアルジャンクションGaInP / GaAs太陽電池デバイスで32.8%という記録的な1太陽光効率を報告した。さらに、デュアルジャンクションデバイスをSi太陽電池と機械的に積層することで、トリプルジャンクション太陽電池で35.9%という記録的な1太陽光効率を達成した。[ 75 ]
太陽電池は通常、それを構成する半導体材料にちなんで命名されます。これらの材料は、利用可能な太陽光スペクトルを最適に吸収するために、それぞれ異なる特性を持っています。地球表面に到達する太陽光に対応するように設計されたものもあれば、宇宙空間での使用に最適化されたものもあります。太陽電池は、光吸収材料の単層（単接合）で構成することも、複数の物理的構成（多接合）を用いて様々な吸収および電荷分離メカニズムを利用することもできます。
太陽電池は、第1世代、第2世代、第3世代に分類できます。
2016年現在、最も普及していて効率的な太陽電池は、シリコンの薄いウェハーで作られたもので、これは最も古い太陽電池技術でもある。[ 78 ]
太陽電池のバルク材料として最も広く用いられているのは、結晶シリコン（c-Si）、別名「太陽電池グレードシリコン」です。バルクシリコンは、結晶性や結晶サイズに応じて、インゴット、リボン、ウェーハなど様々な形状に分けられます。これらの太陽電池は、 p-n接合の概念に基づいています。c-Si製の太陽電池は、厚さ160～240マイクロメートルのウェーハから作られます 。
単結晶シリコン（mono-Si）太陽電池は、多結晶構成よりも電子が自由に移動できる単結晶構造を特徴としています。そのため、単結晶太陽電池パネルは、多結晶太陽電池パネルよりも高い効率を実現します。[ 79 ]ウェハ材料は通常、チョクラルスキー法で成長させた円筒形のインゴットから切り出されているため、セルの角は八角形のように切り取られたように見えます。mono-Siセルを使用した太陽電池パネルは、小さな白いダイヤモンドの独特なパターンを示します。
単結晶シリコンの「シード」ウェハ上に化学気相成長法（CVD）により結晶シリコンのエピタキシャルウェハを成長させ、その後、標準的な厚さ（例えば250μm）の自立型ウェハとして分離し、 手で操作して、単結晶シリコンインゴットから切り出したウェハセルと直接交換することができる。この「カーフレス」技術で作られた太陽電池は、CVDを大気圧下で高スループットのインラインプロセスで実行できれば、ウェハカットセルの効率に匹敵する効率を、大幅に低いコストで実現できる。[ 71 ] [ 72 ]エピタキシャルウェハの表面は、光吸収を高めるためにテクスチャ加工されることがある。[ 80 ] [ 81 ]
2015年6月、n型単結晶シリコンウェハ上にエピタキシャル成長させたヘテロ接合型太陽電池が、総面積243.4cm²において22.5%の効率を達成した と報告された。[ 82 ]ヘテロ接合型太陽電池は、2022 年より前に量産体制に入った。[ 83 ]また、市場シェアではアルミニウム裏面フィールド (Al-BSF) パネルを追い抜いた。しかし、理論上の効率の上限が同程度で、製造コストが高いため、従来の TOPCon (トンネル酸化物パッシベーションコンタクト) を上回る成長は期待されていない。[ 84 ]
多結晶シリコン（またはマルチシリコン）セルは、鋳造された正方形のインゴット、つまり溶融シリコンの大きな塊を慎重に冷却・凝固させて作られます。これらは小さな結晶で構成されており、材料特有の金属片のような効果を生み出します。多結晶シリコンセルは太陽光発電で最も一般的に使用されているタイプで、単結晶シリコン製のものよりも安価ですが、効率は劣ります。
リボンシリコンは多結晶シリコンの一種で、溶融シリコンから平らな薄膜を引き伸ばすことで形成され、多結晶構造になります。この方法はインゴットから切断する必要がないため、シリコン廃棄物が大幅に削減され、マルチシリコンよりも製造コストが安くなります。[ 85 ]ただし、効率は劣ります。
この形態は2000年代に開発され、2009年頃に商業的に導入されました。キャストモノとも呼ばれるこの設計では、モノ材料の小さな「種」を含む多結晶鋳造チャンバーを使用します。その結果、外側が多結晶であるモノのようなバルク材料が得られます。加工のためにスライスすると、内側のセクションは高効率のモノのようなセル（ただし「切り取られた」のではなく正方形）になり、外側のエッジは従来のポリとして販売されます。この製造方法により、ポリのような価格でモノのようなセルが得られます。[ 86 ]
薄膜技術は、セル内の活性物質の量を削減します。ほとんどの設計では、活性物質を2枚のガラス板で挟んでいます。シリコン太陽電池パネルはガラス板を1枚しか使用しないため、薄膜パネルは結晶シリコンパネルの約2倍の重量がありますが、ライフサイクル分析から判断すると、環境への影響は小さくなります。[ 87 ] [ 88 ]
テルル化カドミウムは、これまでのところ、コスト/ワットで結晶シリコンに匹敵する唯一の薄膜材料です。しかし、カドミウムは毒性が非常に高く、テルル（陰イオン：「テルル化物」）の供給は限られています。セルに含まれるカドミウムは、放出されると毒性があります。しかし、セルの通常の動作中に放出されることはなく、住宅の屋根の火災時にも放出される可能性は低いです。[ 89 ] 1平方メートルのCdTeには、単一のCセルニッケルカドミウム電池とほぼ同じ量のCdが、より安定で溶解しにくい形で含まれています。[ 89 ]
銅インジウムガリウムセレン（CIGS）は直接バンドギャップ材料です。商業的に重要な薄膜材料の中で最も高い効率（約20%）を持っています（CIGS太陽電池を参照）。従来の製造方法では、共蒸着やスパッタリングなどの真空プロセスが用いられてきました。IBMとNanosolarの最近の開発では、非真空溶液プロセスを使用することでコストを削減しようとしています。[ 90 ]
シリコン薄膜セルは主に、シランガスと水素ガスからの化学気相成長法（典型的にはプラズマ強化型、PE-CVD）によって成膜される。成膜パラメータによっては、非晶質シリコン（a-Siまたはa-Si:H）、プロト結晶シリコン、またはナノ結晶シリコン（nc-Siまたはnc-Si:H）、別名微結晶シリコンが得られる。[ 91 ]
アモルファスシリコンは、現在までに最も発展した薄膜技術です。アモルファスシリコン（a-Si）太陽電池は、非結晶シリコンまたは微結晶シリコンでできています。アモルファスシリコンは、 結晶シリコン（c-Si）（1.1 eV）よりもバンドギャップ（1.7 eV）が大きいため、太陽光スペクトルの可視光部分を、高出力密度の赤外線部分よりも強く吸収します。a-Si薄膜太陽電池の製造では、ガラスを基板として使用し、プラズマCVD（PECVD）法によって非常に薄いシリコン層を成膜します。
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、高開放電圧に最適です。[ 92 ] Nc-Siはc-Siとほぼ同じバンドギャップを持ち、nc-Siとa-Siは薄膜で有利に組み合わせることができ、タンデムセルと呼ばれる層状セルを作成できます。a-Siの上部セルは可視光を吸収し、スペクトルの赤外線部分はnc-Siの下部セルに残されます。
半導体材料であるガリウムヒ素（GaAs）は、単結晶薄膜太陽電池にも使用されています。GaAsセルは非常に高価ですが[ 93 ] 、単接合太陽電池の効率で世界記録の28.8%を保持しています[ 94 ] 。通常、結晶シリコンウェハ上に41%のフィルファクターで製造されていますが[ 95 ]、多孔質シリコンに移行することで、コストを削減しながらフィルファクターを56%まで高めることができます。ナノワイヤを製造することで活性の低いGaAs材料を使用することも、コスト削減のもう1つの潜在的な方法です[ 96 ] 。GaAsは、集光型太陽光発電（CPV、HCPV）や宇宙船のソーラーパネル用の多接合型太陽電池でより一般的に使用されています。これは、宇宙ベースの太陽光発電では、業界がコストよりも効率を重視しているためです。
多接合セルは、複数の薄膜から構成され、各薄膜は基本的に太陽電池であり、通常は有機金属気相エピタキシーを用いて別の薄膜の上に成長させられます。各層は異なるバンドギャップエネルギーを持ち、スペクトルの異なる部分の電磁波を吸収することができます。多接合セルはもともと衛星や宇宙探査などの特殊な用途向けに開発されましたが、現在では地上集光型太陽光発電（CPV）でますます広く使用されています。CPVは、レンズと曲面ミラーを使用して太陽光を小型で高効率の多接合太陽電池に集光する新興技術です。高集光型太陽光発電（HCPV）は、太陽光を最大1000倍まで集光することで、将来的に従来の太陽光発電を凌駕する可能性を秘めています。[ 97 ]： 21、26
モノリシックで直列接続されたガリウムインジウムリン化物（GaInP）、ガリウムヒ素（GaAs）、ゲルマニウム（Ge）p-n接合に基づくタンデム太陽電池は、コスト圧力にもかかわらず売上を伸ばしている。[ 98 ] 2006年12月から2007年12月の間に、4Nガリウム金属のコストは1kgあたり約350ドルから680ドルに上昇した。さらに、ゲルマニウム金属の価格は今年、1kgあたり1000～1200ドルに大幅に上昇した。これらの材料には、ガリウム（4N、6N、7N Ga）、ヒ素（4N、6N、7N）、ゲルマニウム、結晶成長用の熱分解窒化ホウ素（pBN）るつぼ、酸化ホウ素が含まれており、これらの製品は基板製造業界全体にとって重要である。[ 99 ]
例えば、三重接合セルは、GaAs、Ge、およびGaInPの半導体から構成される場合がある。2. [ 100 ]トリプルジャンクションGaAs太陽電池は、 2003年、2005年、2007年に4回ワールドソーラーチャレンジ優勝したNuna、Solutra（2005年）、Twente One（2007年）、21Revolution（2009年）の電源として使用されました。 [ 101 ] GaAsベースのマルチジャンクションデバイスは、現在までに最も効率的な太陽電池です。2012年10月15日、トリプルジャンクションメタモルフィックセルは44%の記録的な高効率を達成しました。 [ 102 ] 2022年、ドイツのフライブルクにあるフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所ISEの研究者は、4ジャンクション集光型太陽電池を使用して665倍の太陽光集光下で47.6%の記録的な太陽電池効率を実証しました。 [ 103 ] [ 104 ]
2016年に、 III-V族多接合太陽電池の高い効率とシリコンに関連する経済性および豊富な経験を組み合わせたハイブリッド光起電力ウェハを製造するための新しいアプローチが説明されました。約30年間研究されてきた、必要な高温でシリコン上にIII-V族材料を成長させる際に伴う技術的な複雑さは、プラズマ強化化学気相成長法（PECVD）による低温でのGaAs上へのシリコンのエピタキシャル成長によって回避されます。[ 105 ]
Si単接合太陽電池は数十年にわたり広く研究されており、1太陽光条件下で約26%の実用効率に達している。[ 106 ]この効率を向上させるには、Siセルに1.1 eVより大きいバンドギャップエネルギーを持つセルを追加し、短波長光子を変換して追加の電圧を生成する必要があるかもしれない。上部セルとして1.6～1.8 eVのバンドギャップを持つ二接合太陽電池は、熱損失を低減し、高い外部放射効率を生み出し、45%を超える理論効率を達成することができる。[ 107 ] GaInPセルとSiセルを成長させることでタンデムセルを作製できる。これらを別々に成長させることで、Siと最も一般的なIII-V層との間の4%の格子定数の不整合を克服し、1つのセルへの直接統合を回避できる。そのため、2つのセルは透明なガラススライドで分離され、格子不整合がシステムに歪みを生じさせないようにしている。これにより、4 つの電気接点と 2 つの接合部を持つセルが作成され、18.1% の効率が実証されました。フィル ファクター (FF) が 76.2% の場合、タンデム デバイスでは Si ボトム セルの効率が 11.7% (± 0.4) に達し、累積タンデム セル効率は 29.8% になります。[ 108 ]この効率は、理論上の限界 29.4% [ 109 ]と Si 1 太陽光太陽電池の記録的な実験効率値を上回り、記録的な効率の 1 太陽光 GaAs デバイスよりも高くなっています。しかし、GaAs 基板の使用は高価で実用的ではありません。そのため、研究者は GaAs 基板を必要としない 2 つの電気接点と 1 つの接合部を持つセルを作成しようとしています。これは、GaInP と Si の直接統合を意味します。
ペロブスカイト太陽電池は、活性層としてペロブスカイト構造材料を含む太陽電池です。最も一般的なのは、溶液プロセスで製造された有機無機ハイブリッドのスズまたは鉛ハロゲン化物ベースの材料です。効率は、2009年に初めて使用されたときの5%未満から2020年には25.5%に向上し、非常に急速に進歩している技術であり、太陽電池分野で注目されています。[ 110 ]ロチェスター大学の研究者は2023年に、パーセル効果を利用することでセル効率を大幅に向上させることができると報告しました。[ 111 ]
ペロブスカイト太陽電池は、スケールアップが非常に安価になるとも予測されており、商業化にとって非常に魅力的な選択肢となっています。これまでのところ、ほとんどのタイプのペロブスカイト太陽電池は、商業化に十分な動作安定性を達成していませんが、多くの研究グループがこれを解決する方法を研究しています。[ 112 ]ペロブスカイト太陽電池とタンデムペロブスカイトのエネルギーと環境の持続可能性は、構造に依存することが示されています。[ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]光管理のためのフォトニックフロントコンタクトは、広帯域吸収の強化によりペロブスカイトセルの性能を向上させることができ、有害な高エネルギー（可視光以上）放射線からの保護により動作安定性を向上させることができます。[ 116 ]最も効率的なペロブスカイト太陽電池に有毒元素である鉛が含まれていることは、商業化の潜在的な問題です。[ 117 ]
裏面が透明な両面受光型太陽電池は、前面と背面の両方から光を吸収できます。そのため、従来の片面受光型太陽電池よりも多くの電力を生成できます。両面受光型太陽電池の最初の特許は、1966 年に日本の研究者である森浩によって出願されました。[ 118 ]その後、1970 年代にロシアが宇宙計画で両面受光型太陽電池を最初に導入したと言われています。[ 119 ] 1976 年、マドリード工科大学の太陽エネルギー研究所は、アントニオ・ルケ教授の主導で両面受光型太陽電池の開発研究プログラムを開始しました。ルケによる 1977 年の米国およびスペインの特許に基づいて、前面を陽極、背面を陰極とする実用的な両面受光型セルが提案されました。以前に報告された提案や試みでは、両面が陽極であり、セル間の相互接続が複雑で高価でした。[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] 1980年、ルケの研究チームの博士課程学生であったアンドレス・クエバスは、白色の背景を提供した場合、同じ向きと傾斜の単面太陽電池と比較して、両面太陽電池の出力が50%増加することを実験的に実証した。[ 123 ] 1981年、開発された両面太陽電池を製造するために、マラガにイソフォトン社が設立され、このPVセル技術の最初の工業化となった。当初は両面受光型太陽電池を年間300kW生産する能力を持っていたイソフォトンの初期の生産実績としては、1986年にイベルドローラ向けに建設されたサン・アグスティン・デ・グアダリックスにある20kWpの発電所、そして1988年までにスペインの国際援助協力プログラムの資金援助を受けてノト・グイエ・ディアマ村（セネガル）に設置された同じく20kWpのオフグリッド発電所が挙げられる。
製造コストの低下により、企業は2010年以降、再び両面受光型モジュールの商用生産を開始した。2017年までに、北米では少なくとも8社の認定PVメーカーが両面受光型モジュールを提供していた。国際太陽光発電技術ロードマップ（ITRPV）は、両面受光型技術の世界市場シェアが2016年の5%未満から2027年には30%に拡大すると予測している。[ 124 ]
両面受光型技術への関心が高まっていることから、最近の研究では、両面受光型ソーラーモジュールの性能と最適化が世界中で調査されています。[ 125 ] [ 126 ]結果によると、世界中で、地上設置型の両面受光型モジュールは、地面のアルベド係数が25%（コンクリートや植生の地面に典型的な値）の場合、片面受光型モジュールと比較して年間発電量が約10%しか増加しないことが示されています。しかし、モジュールを 地面から1m高くし、地面のアルベド係数を50%に高めることで、増加率は約30%にまで増加させることができます。Sunらは、両面受光型ソーラーモジュールを解析的に最適化できる一連の経験式も導出しました。[ 125 ]さらに、両面受光型パネルは、雪の多い環境では従来のパネルよりも優れているという証拠があります。二軸トラッカー上の両面受光型セルは、片面受光型セルよりも年間で14%多く、冬のピーク時には40%多く発電しました。[ 127 ]
オンラインシミュレーションツールを使えば、世界中の任意の場所で両面発電モジュールの性能をモデル化できます。また、傾斜角、方位角、地上からの高度に応じて両面発電モジュールを最適化することもできます。[ 128 ]
太陽電池研究における中間バンド光起電力は、セルの効率に関するショックレー・ク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を導入することで、バンドギャップよりもエネルギーの低い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、誘起される光電流が増加し、効率が向上する。[ 129 ]
LuqueとMartiは、詳細平衡を用いて、中間ギャップエネルギー準位が1つあるIBデバイスの理論的な限界を最初に導出した。彼らは、IBではキャリアが収集されず、デバイスは完全な集中状態にあると仮定した。彼らは、IBが価電子帯または伝導帯から0.71eV離れた位置にあるバンドギャップ1.95eVの場合、IBの最大効率が63.2%であることを発見した。これは、1太陽光照射下での限界効率47%と比較したものである。[ 130 ]このような最適な3バンドギャップ構成を持つIB半導体を実現するために、材料工学（深準位不純物の制御された導入または高度にミスマッチな合金）やナノ構造化（ホストヘテロ結晶中の量子ドット）など、いくつかの方法が研究されている。[ 131 ]
2014年、カリフォルニアナノシステム研究所の研究者らは、ケステライトとペロブスカイトを使用することで太陽電池の電力変換効率が向上することを発見した。 [ 132 ]
2022年12月、 MITの研究者らが超軽量の布製太陽電池を開発したと報じられた。これらの太陽電池は、従来のパネルの100分の1の重量でありながら、1キログラムあたり18倍の電力を生成する。人間の髪の毛よりも薄いこれらの太陽電池は、ボートの帆、テント、防水シート、ドローンの翼など、さまざまな表面にラミネートしてその機能を拡張することができる。インクベースの材料と拡張可能な技術を使用して、研究者らは印刷可能な電子インクで太陽電池構造をコーティングし、スクリーン印刷された電極でモジュールを完成させる。高強度の布でテストされたこれらの太陽電池は、1キログラムあたり370ワットを生成し、従来の太陽電池よりも優れている。[ 133 ]
光子アップコンバージョンとは、2つの低エネルギー（例えば赤外線）光子を用いて1つの高エネルギー光子を生成するプロセスであり、ダウンコンバージョンとは、1つの高エネルギー光子（例えば紫外線）を用いて2つの低エネルギー光子を生成するプロセスである。これらの技術はいずれも、太陽光子をより効率的に利用することで、高効率太陽電池の製造に利用できる。しかしながら、既存のアップコンバージョンまたはダウンコンバージョンを示す蛍光体の変換効率は低く、一般的に狭帯域であるという課題がある。
アップコンバージョン技術の一つは、ランタニドをドープした材料（Er 3+）を組み込むことである。、Yb 3+、Ho 3+（またはそれらの組み合わせ）を利用して、赤外線を可視光に変換する発光を利用する。アップコンバージョンプロセスは、2つの赤外線光子が希土類イオンに吸収されて（高エネルギーの）吸収可能な光子を生成するときに起こる。例えば、エネルギー移動アップコンバージョンプロセス（ETU）は、近赤外線で励起されたイオン間の連続的なエネルギー移動プロセスから構成される。アップコンバータ材料は、シリコンを通過する赤外線を吸収するために太陽電池の下に配置することができる。有用なイオンは、一般的に三価の状態である。Er +イオンが最も多く使用されています。Er 3+イオンは1.54μm付近の太陽放射を吸収する 。2つのEr3 +この放射線を吸収したイオンは、アップコンバージョン過程を介して互いに相互作用することができる。励起されたイオンは、太陽電池に吸収されるSiバンドギャップ以上の光を放出し、電流を生成できる追加の電子-正孔対を生成する。しかし、効率の向上はわずかであった。さらに、フッ化インジウム酸塩ガラスはフォノンエネルギーが低く、 Ho 3+をドープした適切なマトリックスとして提案されている。イオン。[ 134 ]
色素増感太陽電池（DSSC）は低コストの材料で作られており、複雑な製造設備を必要としないため、DIY方式で製造できます。大量生産すれば、従来の固体型太陽電池よりも大幅に安価になるはずです。DSSCは柔軟なシート状に加工でき、変換効率は最高の薄膜型太陽電池には劣りますが、価格対性能比が高ければ、化石燃料による発電と十分に競合できる可能性があります。
一般的に、ルテニウム金属有機色素（Ru中心）が光吸収材料の単分子層として使用され、二酸化チタンの薄膜上に吸着される。色素増感太陽電池は、このナノ粒子二酸化チタン（TiO₂ ）のメソポーラス層によって表面積（200～300 m²/g TiO₂）を大幅に増加させる。（約10 m 2と比較して）これにより、太陽電池面積あたりの色素数を増やすことができ（つまり電流が増加する）、光吸収色素から生成された光電子はn型TiO22そして、正孔は色素の反対側の電解質、液体または固体の電解質中の酸化スクリーン印刷または超音波ノズル、バルク太陽電池に使用されるものよりも処理コストが低くなる可能性があります。しかし、これらのセルの色素は熱や紫外線劣化、組み立てに使用される溶剤のためにセルケースを密閉。このため、研究者は漏れを防ぐために固体電解質を使用する固体色素増感太陽電池を開発しました。 [ 135 ] DSSC太陽電池モジュールの最初の商用出荷は、2009年7月にG24i Innovationsから行われました。 [ 136 ]
量子ドット太陽電池（QDSC）は、グラッツェルセルまたは色素増感太陽電池の構造に基づいているが、量子ドットを形成するのに十分なほど結晶粒径が小さい低バンドギャップ半導体ナノ粒子（ CdS、CdSe、Sbなど）を使用している。2S光吸収体として有機色素や有機金属色素の代わりに、CdやPbをベースとした化合物には毒性があるため、CuInS 2、CuInSe 2、CuInSeSなどの「グリーン」QD増感材料も開発されている。 [137]QDのサイズ量子化により、粒子サイズを変更するだけでバンドギャップを調整できる。また、高い消光係数多重励起子生成の可能性も示されている。 [ 138 ]
QDSCでは、DSSCと同様に、二酸化チタンナノ粒子のメソポーラス層がセルの骨格を形成します。2層目は、化学浴堆積法、電気泳動堆積法、または連続イオン層吸着反応法を用いて半導体量子ドットでコーティングすることにより、光活性にすることができる酸化還元。QDSCの効率は、液接合型[ 140 ]と固体型セル[141]の両方で5%以上に向上しており[139]、報告されているピーク効率は11.91%である[ 142 ]。製造コスト削減のため、Prashant Kamat研究グループ[ 143 ]は、 TiO2を用いたソーラーペイントを実証した。2および CdSe は、1% を超える効率で任意の導電性表面にワンステップ法で適用できます。 [ 144 ]しかし、QDSC における量子ドット (QD) の吸収は室温では弱いです。 [ 145 ]プラズモンナノ粒子(ナノスターなど) は、QD の弱い吸収に対処するために利用できます。 [ 146 ] QD のバンド内遷移とバンド間遷移を励起するために外部赤外線ポンピング光源を追加することも別の解決策です。 [ 145 ]
有機太陽電池とポリマー太陽電池は、ポリフェニレンビニレンなどのポリマーや、フタロシアニン銅（青色または緑色の有機顔料）、カーボンフラーレン、PCBMなどのフラーレン誘導体といった低分子化合物を含む有機半導体 の薄膜（通常100nm ）から作られています。
これらは液相から製造できるため、シンプルなロールツーロール印刷プロセスが可能となり、低コストで大規模生産につながる可能性がある。さらに、これらのセルは、機械的な柔軟性と使い捨て性が重要な用途にも有効である。しかしながら、現在のセル効率は非常に低く、実用的なデバイスは事実上存在しない。
導電性ポリマーを用いたこれまでのエネルギー変換効率は、無機材料と比較して非常に低い。しかし、Konarka Power Plasticは8.3%の効率を達成し[ 147 ]、2012年には有機タンデムセルが11.1%に達した。
有機デバイスの活性領域は、電子ドナーと電子アクセプターの2つの材料から構成されます。光子が電子正孔対に変換されるとき、通常はドナー材料で、電荷は励起子の形で結合したままになり、他のほとんどの太陽電池タイプとは異なり、励起子がドナー・アクセプター界面に拡散すると分離します。ほとんどのポリマーシステムの励起子拡散長が短いため、このようなデバイスの効率が制限される傾向があります。ナノ構造界面、場合によってはバルクヘテロ接合の形で、性能を向上させることができます。[ 148 ]
2011年、MITとミシガン州立大学の研究者らは、低分子化合物を用いてスペクトルの紫外線と近赤外線部分を選択的に吸収することで、人間の目には65%以上の透明度を持ち、電力効率が2%に近い太陽電池を開発した。[ 149 ] [ 150 ] UCLAの研究者らは、同じアプローチで、透明度70%、電力変換効率4%の類似ポリマー太陽電池を最近開発した。[ 151 ] [ 152 ] [ 153 ]これらの軽量で柔軟なセルは、低コストで大量生産でき、発電窓の作成に使用できる可能性がある。
2013年、研究者らは効率約3%のポリマーセルを発表した。彼らはブロックコポリマー、つまり自己組織化して明確な層を形成する有機材料を使用した。この研究は、幅約16ナノメートルのバンドに分離するP3HT-b-PFTBTに焦点を当てた。[ 154 ] [ 155 ]
適応型細胞は、環境条件に応じて吸収/反射特性を変化させます。適応型材料は、入射光の強度と角度に反応します。光が最も強い細胞の部分では、細胞表面が反射性から適応性に変化し、光が細胞内部に浸透します。細胞の他の部分は反射性のままであり、吸収された光が細胞内に保持されます。[ 156 ]
2014年に、吸収された光をシートの端にある光吸収体に方向転換する適応表面とガラス基板を組み合わせたシステムが開発されました。このシステムには、光を適応表面に集光するための固定レンズ/ミラーのアレイも含まれています。日が進むにつれて、集光された光は細胞の表面に沿って移動します。光が最も集光されたとき、その表面は反射から適応に切り替わり、光が移動した後は再び反射に戻ります。[ 156 ]
表面にテクスチャ加工された光線は、平坦な表面に入射する光線とは異なり、空気中に反射されるのではなく、表面の形状によって一部の光線が再び表面に反射されます。これにより、光の吸収率と光電変換効率が向上します。表面テクスチャ加工は、主にコスト効率が高く光吸収率の低い薄膜太陽電池において、光学的損失を低減するために用いられる技術の一つです。反射防止コーティングと組み合わせることで、表面テクスチャ加工技術は薄膜シリコン太陽電池内部に光線を効果的に閉じ込めることができます。その結果、同じ出力であれば、光線の吸収率を高めることで太陽電池の厚さを減らすことができます。
表面テクスチャ形状とテクスチャリング技術は、複数の方法で実現できます。異方性エッチング剤を使用してc-Si基板をエッチングすると、表面にランダムに分布した正方形底面のピラミッドを生成できます。[ 157 ]研究によると、c-Siウェーハをエッチングしてナノスケールの逆ピラミッドを形成できることが示されています。2012 年に、MIT の研究者は、ナノスケールの逆ピラミッドでテクスチャリングされた c-Si フィルムが、30 倍の厚さの平面 c-Si に匹敵する光吸収を実現できることを報告しました。[ 158 ]製造は容易ですが効率は低いものの、多結晶シリコン太陽電池は、同位体エッチングまたはフォトリソグラフィー法によって表面テクスチャリングすることで、単結晶シリコン太陽電池に匹敵する太陽エネルギー変換効率を実現できます。[ 159 ] [ 160 ]
このテクスチャ効果とPVモジュール内の他のインターフェースとの相互作用は、困難な光学シミュレーションタスクですが、少なくとも存在する効率的なモデリングおよび最適化方法の1つはOPTOS形式です。[ 161 ]
太陽電池は、繊細な太陽電池領域が、動作中に想定される水分、汚れ、氷、その他の環境条件と接触しないように保護するために、一般的に透明なポリマー樹脂で封止されています。封止材は一般的にポリ酢酸ビニル またはガラスで作られています。ほとんどの封止材は構造と組成が均一であり、樹脂内部での光の全反射による光閉じ込めにより光収集が増加します。さらに光収集を促進するために、封止材の構造化に関する研究が行われてきました。このような封止材には、粗面ガラス表面[ 162 ]、回折素子[ 163 ]、プリズムアレイ[ 164 ]、空気プリズム[ 165 ]、V溝[ 166 ]、拡散素子、および多方向導波路アレイ[ 167 ]が含まれます。プリズムアレイは、太陽エネルギー変換全体の5%の増加を示しています。[ 165 ]垂直に整列した広帯域導波路のアレイは、垂直入射で 10% の増加、広角収集の強化が最大 4% まで実現し、[ 168 ]最適化された構造では短絡電流が最大 20% 増加します。[ 169 ]赤外光を可視光に変換するアクティブ コーティングは 30% の増加を示しています。[ 170 ]プラズモン光散乱を誘発するナノ粒子コーティングは、広角変換効率を最大 3% まで向上させます。また、金属前面接点を効果的に「隠す」ために、封止材料内に光学構造が作成されています。[ 171 ] [ 172 ]
太陽電池は、他の半導体デバイスと一部の加工および製造技術を共有しており、電卓、時計、宇宙衛星の電源として一般的に使用されています。[ 173 ]しかし、半導体製造の清浄度と品質管理に関する厳しい要件は太陽電池では緩和されており、コストが削減されています。
多結晶シリコンウェーハは、ブロック鋳造されたシリコンインゴットをワイヤーソーで切断して、厚さ180～350マイクロメートルのウェーハに加工して作られます。ウェーハは通常、p型ドーピングが軽く施されています。ウェーハの表面にはn型ドーパントの表面拡散処理が施され、表面から数百ナノメートル下の深さにap-n接合が形成されます。
次に、太陽電池に結合する光の量を増やすために、反射防止コーティングが一般的に施されます。窒化ケイ素は、その優れた表面パッシベーション特性により、二酸化チタンに代わって好ましい材料として徐々に使われるようになりました。窒化ケイ素は、セル表面でのキャリア再結合を防ぎます。数百ナノメートルの厚さの層が、プラズマCVD法を用いて形成されます。一部の太陽電池は、反射防止コーティングと同様に、ウェーハに到達する光の量を増やすテクスチャ加工された前面を備えています。このような表面は、最初に単結晶シリコンに適用され、その後、やや遅れて多結晶シリコンにも適用されました。
裏面には全面金属接点が形成され、表面には銀ペーストを用いて、細い「フィンガー」と太い「バスバー」からなる格子状の金属接点がスクリーン印刷される。これは、1981年にバイエルAGが米国特許で初めて記載した、いわゆる「ウェット」電極塗布プロセスの進化形である。[ 174 ]裏面接点は金属ペーストをスクリーン印刷することで形成される。太陽光に利用できる前面表面積を最大化し、太陽電池の効率を向上させるために、メーカーはさまざまな裏面接点電極技術を使用している。
次に、ペーストを数百℃で焼成し、シリコンとオーミック接触する金属電極を形成します。効率を高めるために、追加の電気めっき工程を用いる企業もあります。金属接点が形成された後、太陽電池は平線または金属リボンで相互接続され、モジュールまたは「ソーラーパネル」に組み立てられます。ソーラーパネルは、前面に強化ガラス板、背面にポリマーまたはガラス製の封止材を備えています。
製造とリサイクルのさまざまなタイプによって、排出量の削減と環境へのプラスの効果がどれほど効果的かが部分的に決まります。[ 52 ]このような違いと効果は、さまざまな地域でさまざまな目的に最適なタイプの製品を時間とともに生産するために定量化できます。 [ 52 ]
米国では、国立再生可能エネルギー研究所が太陽光発電技術の試験と検証を行っており、 ULとIEEE（いずれも米国の規格）およびIECという3つの団体が太陽光発電機器の認証を行っている。
IEAの2022年特別報告書は、2011年以降、500億米ドルを超える投資と約30万人の雇用創出により、太陽光発電サプライチェーンにおける中国の支配力を強調している。中国は太陽光パネルの製造工程全体の80%以上を支配している。この支配力によりコストは大幅に削減されたが、需給の不均衡や多結晶シリコンの生産制約といった問題も生じている。それでもなお、中国の戦略的政策により太陽光発電のコストは80%以上削減され、世界的な価格の手頃さが向上した。2021年には、中国の太陽光発電輸出額は300億米ドルを超えた。[ 180 ]
世界のエネルギーと気候目標を達成するには、太陽光発電製造の大幅な拡大が必要であり、IEAの「2050年までのネットゼロ排出へのロードマップ」によると、2030年までに630GWを超えることを目指している。中国は主要な太陽光発電部品のほぼ95％、新疆ウイグル自治区における世界の多結晶シリコン生産の40％を支配しており、供給不足やコスト高騰のリスクがある。銀などの重要鉱物の需要は、2030年までに2020年の世界生産量の30％を超える可能性がある。[ 180 ]
2021年には、太陽光発電モジュール生産における中国のシェアは約70%に達し、2010年の50%から増加した。その他の主要生産国には、ベトナム（5%）、マレーシア（4%）、韓国（4%）、タイ（2%）があり、これらの生産能力の多くは、特に米国への輸出を目的として中国企業によって開発されたものである。[ 180 ]
2018年9月時点で、世界の太陽光発電モジュールの60%が中国で製造されていた。[ 181 ] 2021年には、太陽光発電モジュール生産における中国のシェアは約70%に達した。[ 180 ]
2022年、中国は世界最大の太陽光発電モジュール生産国としての地位を維持し、77.8%という圧倒的な市場シェアを占めた。2023年上半期、中国の太陽光発電モジュール生産量は220GWを超え、2022年の同時期と比較して62%以上増加した。[ 182 ]
2022年、ベトナムは中国に次ぐ世界第2位の太陽光発電モジュール生産国となり、生産能力は24.1 GWに達し、2021年の16.4 GWから47%の大幅な増加を記録した。ベトナムは2023年には世界の太陽光発電モジュール生産量の6.4%を占めた。[ 182 ]しかし、2025年には2.5%に低下し、ベトナムは世界第4位の太陽光発電モジュール生産国となった。[ 184 ]
2022年、マレーシアは太陽光発電モジュール生産量で世界第3位となり、生産能力は10.8 GWで、世界の生産量の2.8%を占めた。これは、77.8%を占める中国と6.4%を占めるベトナムに次ぐ順位である。[ 182 ]
他の多くのエネルギー生成技術と同様に、太陽電池の製造、特にその急速な拡大は、環境とサプライチェーンに多くの影響を及ぼします。世界の鉱業は、太陽電池の種類によって異なる必要な鉱物を調達するために適応し、潜在的に拡大する可能性があります。[ 185 ] [ 186 ]太陽光パネルのリサイクルは、そうでなければ採掘する必要のある材料の供給源となる可能性があります。[ 52 ]
2018年5月現在、世界最大の太陽光発電所は中国の騰格里砂漠にあります。[ 187 ] 2018年には、中国は他の9カ国を合わせたよりも多くの太陽光発電設備容量（GW単位）を追加しました。[ 188 ]
米国の太陽光発電量は2013年から2019年にかけて倍増した。[ 189 ]これは当初、高品質シリコンの価格下落[ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] 、そしてその後は太陽光発電モジュールの世界的な価格急落[ 187 ] [ 193 ]によってもたらされた。2018年には、米国は10.8GWの太陽光発電設備を追加し、21%増加した。[ 188 ]
近年、ラテンアメリカは太陽光発電開発の有望な地域として台頭しており、2020年には10 GWを超える設備が設置されました。ラテンアメリカの太陽光発電市場は、豊富な太陽光資源、コストの低下、競争入札、電力需要の増加によって牽引されています。ラテンアメリカで太陽光発電をリードする国には、ブラジル、メキシコ、チリ、アルゼンチンなどがあります。しかし、ラテンアメリカの太陽光発電市場は、政治的不安定、資金調達のギャップ、送電のボトルネックなど、いくつかの課題にも直面しています。[ 194 ]
中東とアフリカでも近年、太陽光発電の導入が著しく増加しており、2020年には8GWを超える設備が設置されました。中東とアフリカの太陽光発電市場は、太陽光発電の低コスト、エネルギー源の多様化、気候変動対策、農村電化といった動機によって牽引されています。中東とアフリカで太陽光発電が盛んな国としては、サウジアラビア、アラブ首長国連邦、エジプト、モロッコ、南アフリカなどが挙げられます。しかし、中東とアフリカの太陽光発電市場は、社会不安、規制の不確実性、技術的な障壁など、いくつかの障害にも直面しています。[ 195 ]
太陽電池は時間の経過とともに劣化し、効率が低下します。砂漠や極地などの極端な気候にある太陽電池は、それぞれ強い紫外線や積雪荷重にさらされるため、劣化しやすいです。[ 196 ]通常、ソーラーパネルの寿命は25～30年で、その後廃止されます。[ 197 ]
国際再生可能エネルギー機関は、2016年に発生した太陽光パネルの電子廃棄物の量を43,500～250,000トンと推定した。この量は2030年までに大幅に増加し、2050年には推定廃棄物量が6000万～7800万トンに達すると推定されている。[ 198 ]
市場で最も広く使用されている太陽電池は結晶シリコン太陽電池です。製品は、再び回収できる場合に真にリサイクル可能です。2016年のパリ協定では、195か国が化石燃料から再生可能エネルギー源へと焦点を移すことで炭素排出量を削減することに合意しました。このため、太陽光発電は世界中で電力生産に大きく貢献することになります。したがって、ライフサイクル終了後には、リサイクルされる太陽光パネルが大量に発生することになります。実際、世界中の多くの研究者が、リサイクル後のシリコンセルの利用方法を見つけることについて懸念を表明しています。[ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ]
さらに、これらの電池には、貴重なケイ素（Si）、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）の他に、鉛（Pb）、カドミウム（Cd）または硫化カドミウム（CdS）、セレン（Se）、バリウム（Ba）などの有害元素／化合物が添加物として含まれています。これらの有害元素／化合物は、適切な方法で処分されない場合、人間の生命と野生生物の両方に深刻な悪影響を及ぼす可能性があります。[ 203 ]
c-Siをリサイクルする方法は様々です。主に熱分離法と化学分離法が用いられます。これは2段階で行われます[ 204 ]
最初の太陽光パネルリサイクル工場は2018年にフランスのルッセに開設されました。年間1300トンの太陽光パネル廃棄物をリサイクルする予定で、4000トンまで能力を増やすことができます。[ 205 ] [ 206 ] [ 207 ]リサイクルが環境規制ではなく市場価格のみによって推進される場合、リサイクルの経済的インセンティブは不確実なままであり、2021年現在、開発されたさまざまな種類のリサイクル技術の環境への影響はまだ定量化する必要があります。[ 52 ]
再生可能エネルギーポータル
{{cite web}}: CS1 maint: 非推奨のアーカイブサービス (リンク) OWID は、ソースデータとして Nemet (2009); Farmer & Lafond (2016); 国際再生可能エネルギー機関 (IRENA, 2024) を挙げています。