太陽電池の研究

現在、世界中の大学や研究機関において、太陽光発電分野で活発に活動している研究グループが数多く存在する。この研究は、大きく3つの分野に分類できる。すなわち、既存の太陽電池技術をより安価かつ高効率にすることで、他のエネルギー源と効果的に競争できるようにすること、新しい太陽電池構造設計に基づいた新技術を開発すること、そして、光エネルギーを電流に変換する、あるいは光吸収体や電荷キャリアとして機能する、より効率的なエネルギー変換器となる新素材を開発することである。

コスト削減の一つの方法は、十分な純度を持つシリコンをより安価に入手する方法を開発することです。シリコンは非常に一般的な元素ですが、通常はシリカ、つまりシリカ砂の中に結合しています。シリカ（SiO₂）を加工して_シリコンを製造するプロセスは非常にエネルギーを消費します。現在の効率では、従来の太陽電池が、含まれるシリコンの製造に使用されたエネルギーと同量のエネルギーを生成するのに1～2年かかります。よりエネルギー効率の高い合成方法は、太陽光発電業界だけでなく、シリコン技術を取り巻く業界全体にも有益です。

現在、シリコンの工業生産は、炭素（木炭）とシリカを約1700  ℃の温度で反応させることによって行われている。この炭素還元法と呼ばれるプロセスでは、シリコン1トン（冶金グレード、純度約98%）を生産する際に、約1.5トンの二酸化炭素が排出される。

 固体シリカは、比較的穏やかな温度（800～900 ℃）の溶融塩浴中での電気分解により、純粋なシリコンに直接変換（還元）することができる。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}この新しいプロセスは、原理的には1996年後半に初めて発見されたFFCケンブリッジプロセスと同じであるが、興味深い実験室での発見は、このような電解シリコンは多孔質シリコンの形であり、数マイクロメートルの粒子サイズの微粉末に容易に変化するため、太陽電池技術の開発に新たな機会を提供する可能性があるということである。

シリコンの使用量を減らし、ひいてはコストを削減するもう 1 つのアプローチは、ウェーハをマイクロ加工して非常に薄く、ほぼ透明な層にして、透明な建築用被覆材として使用することです。^{[ 3 ]}この技術では、通常 1 ～ 2 mm の厚さのシリコンウェーハを取り 、ウェーハを横切る多数の平行な横断スライスを作成し、厚さ 50 マイクロメートル、幅が元のウェーハの厚さと同じ多数のスライバーを作成します。これらのスライスは 90 度回転され、元のウェーハの面に対応する面がスライバーの端になります。その結果、たとえば、片側あたり約 175 cm ²の露出シリコン表面積を持つ 直径 150 mm、厚さ 2 mm のウェーハを、100 mm × 2 mm × 0.1 mmの寸法の約 1000 個のスライバーに変換し、片側あたり約 2000 cm ²の露出シリコン表面積が得られます。この回転の結果、ウェーハの表面にあった電気的ドーピングとコンタクトは、従来のウェーハセルのように前面と背面ではなく、スライバーの端に位置することになります。これにより、セルの前面と背面の両方から感度を持つという興味深い効果が得られます（両面性として知られる特性）。^{[ 3 ]}この技術を使用すると、1枚のシリコンウェーハで140ワットのパネルを製造できますが、同じ出力の従来のモジュールでは約60枚のウェーハが必要です。      

薄膜太陽電池は、ウェハベースの太陽電池と比較して、高価な原材料（シリコンやその他の光吸収材）の使用量を1%未満に抑えることができ、ワットピーク容量あたりの価格が大幅に低下します。世界中の多くの研究グループが、さまざまな薄膜アプローチや材料を積極的に研究しています。^{[ 4 ]}

特に有望な技術の一つは、ガラス基板上の結晶シリコン薄膜です。この技術は、太陽電池材料としての結晶シリコンの利点（豊富さ、無毒性、高効率、長期安定性）と、薄膜方式を使用することによるコスト削減を兼ね備えています。^{[ 5 ] [ 6 ]}

薄膜太陽電池のもう1つの興味深い点は、柔軟な基板（例えばPET ）を含むあらゆる種類の材料上にセルを成膜できる可能性があり、新しい用途のための新しい次元が開かれることである。 ^{[ 7 ]}

2014年12月現在、太陽電池の効率の世界記録は、フランスのSoitec、CEA-Leti 、ドイツのFraunhofer ISEの共同研究によって開発された多接合型集光型太陽電池を使用して達成された46%である。^{[ 8 ]}

国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、記録的な効率で太陽エネルギーを変換する超軽量で柔軟な太陽電池であるメタモルフィックマルチジャンクション太陽電池で、 R&D MagazineのR&D 100賞の1つを受賞しました。^{[ 9 ]}

超軽量で高効率の太陽電池はNRELで開発され、ニューメキシコ州アルバカーキのEmcore Corp. ^{[ 10 ]}が、アルバカーキのカートランド空軍基地にある空軍研究所宇宙機局と提携して商業化を進めている。

これは、性能、設計、運用、コストにおいて明確な利点を持つ、新しいタイプの太陽電池です。数十年にわたり、従来の太陽電池は、結晶構造が類似した半導体材料のウェハーを特徴としてきました。その性能とコスト効率は、セルを垂直に成長させることによって制限されていました。また、従来のセルは、ゲルマニウム製の底層を持つため、硬くて重く、厚みがありました。

この新しい方法では、セルは上下逆さまに成長します。これらの層には、特に発電量の大部分を占めるセルの上層部において、極めて高品質の結晶を持つ高エネルギー材料が使用されています。すべての層が均一な原子間隔の格子パターンに従っているわけではありません。代わりに、セルにはあらゆる原子間隔が含まれており、これにより太陽光の吸収と利用効率が向上します。厚くて硬いゲルマニウム層が除去され、セルのコストと重量が94%削減されます。従来のセル製造方法を根本から覆すことで、超軽量で柔軟性があり、記録的な効率（326太陽光の集光下で40.8%）で太陽エネルギーを変換するセルが実現しました。

導電性ポリマーの発明（アラン・ヒーガー、アラン・G・マクダイアミッド、白川英樹がノーベル賞を受賞した）は、安価なプラスチックをベースとした、はるかに安価な太陽電池の開発につながる可能性がある。しかし、有機太陽電池は一般的に紫外線にさらされると劣化するため、寿命が短すぎて実用的ではない。ポリマー中の結合は、短い波長の光を照射されると常に切断されやすい。さらに、電荷を担うポリマー中の共役二重結合系は、光や酸素とより容易に反応する。そのため、ほとんどの導電性ポリマーは不飽和度が高く反応性が高いため、大気中の水分や酸化に非常に敏感であり、商業用途への応用が困難となっている。

実験的な非シリコン太陽電池パネルは、導電性ポリマーやメソポーラス金属酸化物に埋め込まれたカーボンナノチューブや量子ドットなどの量子ヘテロ構造で作ることができます。さらに、これらの材料の薄膜を従来のシリコン太陽電池上に形成することで、シリコンセルへの光結合効率を高め、全体的な効率を向上させることができます。量子ドットのサイズを変えることで、セルは異なる波長を吸収するように調整できます。研究はまだ初期段階ですが、量子ドットで改質された光起電力は、多重励起子生成（MEG）により最大42%のエネルギー変換効率を達成できる可能性があります。^{[ 11 ]}

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、ウイルスを利用して太陽電池の効率を3分の1向上させる方法を発見した。

多くの新しい太陽電池は、電気伝導体でもある透明な薄膜を使用しています。現在研究で主流となっている導電性薄膜は、透明導電性酸化物（略称「TCO」）であり、フッ素ドープ酸化スズ（SnO ₂ :F、略称「FTO」）、ドープ酸化亜鉛（例：ZnO:Al）、酸化インジウムスズ（略称「ITO」）などが含まれます。これらの導電性薄膜は、液晶ディスプレイ（LCD）業界でもフラットパネルディスプレイに使用されています。TCOの二重機能により、光は基板の窓を通して下の活性光吸収材料に透過し、同時に光生成された電荷キャリアをその光吸収材料から遠ざけるためのオーミック接触としても機能します。現在のTCO材料は研究には有効ですが、大規模な太陽光発電生産にはまだ最適化されていない可能性があります。高真空下での非常に特殊な成膜条件が必要であり、機械的強度が低い場合があり、また、ほとんどの材料はスペクトルの赤外線領域での透過率が低いという問題があります（例：ITO薄膜は航空機の窓の赤外線フィルターとしても使用できます）。これらの要因により、大規模生産はより高コストになる。

有機太陽電池の透明導体としてカーボンナノチューブネットワークを用いるという、比較的新しい分野が台頭してきた。ナノチューブネットワークは柔軟性があり、様々な方法で表面に成膜できる。特殊な処理を施すことで、ナノチューブ膜は赤外線領域で高い透明度を示すことができ、効率的な低バンドギャップ太陽電池の実現につながる可能性がある。ナノチューブネットワークはp型導体であるのに対し、従来の透明導体はn型のみである。p型透明導体が利用可能になれば、製造工程を簡素化し、効率を向上させる新たなセル設計が可能になるだろう。

新規かつ特殊な材料を用いてより高性能な太陽電池を作ろうとする試みが数多く行われているにもかかわらず、現実には太陽光発電市場は依然としてシリコンウェハー型太陽電池（第一世代太陽電池）が主流となっている。つまり、現在ほとんどの太陽電池メーカーはこのタイプの太陽電池を製造できる体制を整えているということだ。そのため、世界中でシリコンウェハー型太陽電池の製造コストを削減し、生産コストを大幅に増加させることなく変換効率を高めるための研究が盛んに行われている。ウェハー型太陽電池と代替太陽光発電の両方の究極の目標は、太陽光発電を現在市場を支配している石炭、天然ガス、原子力発電と同等のコストで実現し、太陽光発電を主要な一次エネルギー源とすることである。これを実現するには、設置型太陽光発電システムのコストを、現在のピーク電力1ワットあたり約1.80米ドル（バルクシリコン技術の場合）から約0.50米ドルまで削減する必要があるかもしれない。^{[ 15 ]}従来のバルクシリコンモジュールの最終コストの大部分は、太陽電池グレードのポリシリコン原料の高コスト（ピーク時約0.4米ドル）に関係しているため、Si太陽電池を薄くする（材料費の節約）か、より安価な改良冶金シリコン（いわゆる「ダーティSi」）から太陽電池を作るという強い動機が存在する。

IBMは、特殊なパターン除去技術を用いて、廃棄半導体ウェハをシリコンベースの太陽電池パネルの製造に使用できる形状に再利用する半導体ウェハ再生プロセスを有している。この新しいプロセスは最近、全米汚染防止円卓会議（NPPR）から「2007年最も価値のある汚染防止賞」を受賞した。^{[ 16 ]}

アイダホ国立研究所の研究者らは、マサチューセッツ州ケンブリッジのライトウェーブ・パワー社およびミズーリ大学のパトリック・ピネロ氏と共同で、太陽光やその他の熱源から発生する熱エネルギーを収集する数十億個のナノアンテナを含むプラスチックシートを安価に製造する方法を考案し、2007年のNano50賞を2つ受賞した。同社は2010年に事業を停止した。エネルギーを実用的な電力に変換する方法はまだ開発中だが、このシートは将来、ハイブリッド車からコンピューターや携帯電話まであらゆるものに電力を供給する軽量の「スキン」として製造され、従来の太陽電池よりも高い効率で電力を供給できるようになる可能性がある。ナノアンテナは、地球が日中に太陽からエネルギーを吸収した後、熱として継続的に放射する中赤外線をターゲットとしている。また、両面ナノアンテナシートは、太陽スペクトルの異なる部分からエネルギーを収集することができる。これに対し、従来の太陽電池は可視光しか利用できないため、夜間は機能しない。

ロベルト・ジェルマーノのグループは2012年から、純粋な液体の水に物理的（化学的ではない）非対称性を作り出すことで電圧と電流を生成するオキシ水力発電効果に取り組んでいます。これは、例えばナフィオンのような強力な親水性ポリマーのおかげで実現されます。^{[ 17 ] [ 18 ]} この研究グループはイタリアのナポリに拠点を置いており、研究はジェルマーノの「技術移転会社」Promete srlのサイドプロジェクトとして始まり、2023年からはこの研究ラインをさらに発展させることを目的として設立されたスタートアップであるOxhy srlで実施されています。

日本の産業技術総合研究所（AIST）は、紫外線（UV）を利用して発電しつつ、可視光は透過させる透明太陽電池の開発に成功した。従来の太陽電池の多くは、可視光と赤外線を利用して発電する。この太陽電池は従来の窓ガラスの代替として利用でき、設置面積を大きくできるため、発電、照明、温度制御といった複合的な機能を活用する用途が期待される。

この透明な紫外線吸収システムは、Nbドープストロンチウム チタン酸塩基板上に堆積されたp 型半導体ポリマーPEDOT:PSSフィルムからなる有機-無機ヘテロ構造を使用することで実現されました。PEDOT:PSS は空気中で安定しており、水に溶けるため、薄膜に容易に加工できます。これらの太陽電池は紫外線領域でのみ活性化され、16%電子/光子という比較的高い量子収率が得られます。この技術の今後の研究では、低コストで大面積の製造を実現するために、ストロンチウム チタン酸塩基板をガラス基板上に堆積されたストロンチウム チタン酸塩フィルムに置き換える予定です。^{[ 19 ]}

それ以来、太陽電池の発電に紫外線波長を取り入れる他の方法が発見されている。一部の企業は、紫外線を可視光に変換する透明コーティングとしてナノ蛍光体を使用していると報告している。 ^{[ 20 ]}また、 GaNなどのワイドバンドギャップ透明半導体にマンガンなどの遷移金属をドーピングすることで、単接合型太陽電池の吸収範囲を拡大していると報告している企業もある。^{[ 21 ]}

フレキシブル太陽電池の研究は研究レベルの技術であり、その一例として、化学気相堆積技術を用いて、通常の紙などの柔軟な基板上に光起電力材料を堆積させることで太陽電池を製造するマサチューセッツ工科大学で開発されたものがある。[ 22 ]紙上^{に太陽電池}を製造する技術は、国立科学財団とEni-MITアライアンスソーラーフロンティアプログラムの支援を受けて、マサチューセッツ工科大学の研究者グループによって開発された。

入射光のほぼすべてを捕捉し、太陽光発電システムの効率を高めながら、サイズ、重量、機械的複雑さを軽減できる3次元太陽電池が開発中である。ジョージア工科大学研究所で開発された新しい3D太陽電池は、都市の街路網にある高層ビルに似た小型の「タワー」構造のアレイを使用して太陽光から光子を捕捉する。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} Solar3D社はこのような3Dセルを商業化する計画だが、その技術は現在特許出願中である。^{[ 26 ]}

メタマテリアルは、多数の微細な要素を並置して作られた異種材料であり、通常の固体には見られない特性を生み出します。これらを用いることで、狭い波長範囲で優れた吸収性を持つ太陽電池を作製することが可能になるかもしれません。マイクロ波領域での高い吸収率は実証されていますが、^{[ 31 ] [ 32 ]} 300～1100 nmの波長領域ではまだ実証されていません。

太陽光発電と太陽熱発電を組み合わせたシステムもあり、太陽熱発電部分が熱を運び去り、太陽電池を冷却するという利点があります。温度を低く保つことで抵抗が下がり、セルの効率が向上します。^{[ 33 ]}

ペンタセン系太陽光発電は、エネルギー効率比を最大95%まで向上させ、今日の最も効率的な技術の効率を実質的に2倍にすると主張されている。^{[ 34 ]}

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。^{[ 35 ]}

LuqueとMartiは、詳細平衡法を用いて、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、バンドギャップが1.95eVで、IBが価電子帯または伝導帯から0.71eV離れている場合、最大効率は63.2%であることを発見した。1太陽光照射下では、限界効率は47%である。^{[ 36 ]}

• 従来のシリコンを超える太陽光発電技術（IDTechEx）。