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薄膜太陽電池は、光起電力材料の薄膜をガラス、プラスチック、または金属基板上に堆積させて作製する太陽電池の一種です。薄膜太陽電池は、従来の結晶シリコン系太陽電池で使用されるウェハーよりもはるかに薄いのが特徴です。薄膜太陽電池は、テルル化カドミウム（CdTe）、二セレン化銅インジウムガリウム（CIGS）、アモルファス薄膜シリコン（a-Si、TF-Si）など、いくつかの材料を用いて商業的に製造されています。
太陽電池は、その製造に使用される光吸収層の種類に基づいて世代に分類されることが多い。最も確立された、あるいは第一世代の太陽電池は、単結晶または多結晶シリコンでできている。これは現在、ほとんどの太陽光発電システムで使用されている主流の技術である。薄膜太陽電池のほとんどは第二世代に分類され、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（CIGS）、ガリウムヒ素（GaAs）などの材料の薄膜を使用して作られる。より新しく、確立されていない材料で作られた太陽電池は、第三世代または新興太陽電池に分類される。これには、ペロブスカイト、色素増感型、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る。
薄膜太陽電池は、薄型構造のため軽量で柔軟性に優れているなど、第一世代シリコン太陽電池に比べて多くの利点があります。そのため、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用ガラス材として適しています。その他の商業用途としては、世界最大級の太陽光発電所で、2枚のガラス板の間に挟まれた硬質薄膜太陽電池パネル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、第一世代太陽電池よりもコスト効率の高い、シンプルで拡張性の高い方法で製造されることが多く、温室効果ガス（GHG）排出量などの環境負荷を低減します。また、薄膜太陽電池は、人体への毒性や重金属排出量の面でも、再生可能エネルギー源や非再生可能エネルギー源よりも優れた発電性能を発揮します。
効率的な光変換、特に第3世代PV材料における初期の課題にもかかわらず、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%の効率を達成しており、標準的な単接合第1世代太陽電池の最大効率26.1%を上回っています。薄膜技術を組み込んだ多接合集光セルは、2023年現在、最大47.6%の効率を達成しています。[ 1 ]
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よりも動作寿命が短く、劣化率が大きいことが判明しており、これが薄膜技術の普及がやや限定的になっている一因となっている。世界的に見ると、薄膜技術の太陽光発電市場シェアは2023年時点で約5%にとどまっている。[ 2 ]しかし、米国では薄膜技術の人気が著しく高まっており、2021年にはCdTeセルだけで新規の公益事業規模の導入の29%を占めた。 [ 3 ]
薄膜太陽電池に関する初期の研究は1970年代に始まった。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、後にこの研究やその他の業績により2000年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 4 ] [ 5 ] 2年後の1972年、カール・ベーア教授は薄膜太陽電池の研究をさらに進めるため、デラウェア大学にエネルギー変換研究所（IEC）を設立した。同研究所は当初、硫化銅/硫化カドミウム（ Cu2S /CdS）セルに焦点を当て、1975年にはリン化亜鉛（Zn3P2）およびアモルファスシリコン（a-Si）薄膜にも研究対象を拡大した。[ 6 ] 1973年、IECは住宅用建物一体型太陽光発電の最初の例として、太陽光発電住宅「ソーラーワン」を発表した。[ 7 ]次の 10 年間で、商業用途および航空宇宙用途向け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。[ 8 ] 1980 年に Cu 2 S/CdSの薄膜太陽電池の効率が 10% に上昇し、 [ 10 ] 1986 年にARCO Solar が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年代と2000年代には、薄膜太陽電池の最大効率が大幅に向上し、既存の薄膜技術が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15%を超える効率の薄膜太陽電池が開発されました。[ 10 ]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とスペクトロラボが協力して、32%の効率を達成した3接合ガリウムヒ素太陽電池を開発しました。[ 12 ]同年、Kiss + Cathcartは、 4 Times Squareの窓の一部に透明な薄膜太陽電池を設計し、5～7軒の家に電力を供給するのに十分な電力を生成しました。[ 13 ] [ 10 ] 2000年には、BP Solarが薄膜技術に基づいた2つの新しい商用太陽電池を発表しました。[ 10 ] 2001年、最初の有機薄膜太陽電池がリンツのヨハネス・ケプラー大学で開発されました。2005年には、ラドバウド大学の研究者によって最初の自立型（基板なし）セルが導入され、GaAs太陽電池はさらに薄くなりました。[ 14 ]
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新しい第3世代太陽電池材料の探索において大きな進歩があった時期でもありました。[ 15 ] 1991年には、通常の固体半導体層（活性層）を光吸収色素を含む液体電解質混合物に置き換えた、初の高効率色素増感太陽電池が開発されました。 [ 16 ] 2000年代初頭には、量子ドット太陽電池の開発が始まり、[ 15 ]この技術は後に2011年に国立再生可能エネルギー研究所によって認証されました。[ 17 ] 2009年には、東京大学の研究者らが、ペロブスカイトを活性層として使用し、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。 [ 18 ]これは、光を吸収できるペロブスカイト層を作成した村瀬千佳雄の1999年の研究に基づいています。[ 19 ]
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 世代太陽電池技術を新しい用途に拡大し、生産コストを削減する取り組みや、第 2 世代および第 3 世代材料の両方で大幅な効率改善が含まれていました。2015 年、京仁合成は、産業用プリンターで作られた柔軟な太陽電池である初のインクジェット太陽電池を発表しました。[ 20 ] 2016 年、マサチューセッツ工科大学(MIT) のウラジミール・ブロビッチの有機ナノ構造エレクトロニクス (ONE) ラボは、石鹸の泡の上に載せられるほど軽い薄膜セルを作成しました。[ 21 ] 2022 年、同じグループが布に組み込まれた柔軟な有機薄膜太陽電池を発表しました。[ 22 ] [ 23 ]
薄膜太陽電池技術は、1988年に新規太陽光発電設備の導入における世界市場シェアのピークである32%を獲得した後、数十年にわたって減少し、2009年に再び17%というより小さなピークに達しました。[ 2 ] [ 24 ]その後、市場シェアは世界的に着実に減少し、2021年には5%になりましたが、[ 2 ]薄膜技術は同年、公益事業規模の生産の30%を含む米国市場全体の約19%を獲得しました。[ 3 ]
一般的な太陽電池では、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、すなわち「活性層」は通常、半導体材料です。これは、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エネルギーギャップが存在することを意味します。ほとんどの半導体材料では、室温では、他の源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、伝導帯にはほとんど、あるいは全く電子が存在しません。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。このとき、価電子帯には空の電子状態（または正孔）が残ります。伝導帯の電子と価電子帯の正孔は、まとめて電子-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。[ 25 ]しかし、電子-正孔対が分離されていない場合、電子と正孔はより低いエネルギーの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、詳細平衡の原理により、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取り出すには、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）半導体層が接合し、電子を一方の方向に、正孔をもう一方の方向に引き付ける化学ポテンシャル差が生じ、電子-正孔対が分離されます。[ 26 ]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、使用されている半導体材料の固有の特性により、厚さあたり特に多くの光子を変換できるため可能になります。たとえば、一部の薄膜材料は直接バンドギャップを持ち、伝導帯と価電子帯の電子状態は、シリコンのような間接バンドギャップ半導体の場合とは異なり、同じ運動量になります。直接バンドギャップを持つことで、運動量の源またはシンク（通常は格子振動またはフォノン）が不要になり、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。[ 27 ]他の薄膜材料は、エネルギーバンドギャップが太陽光スペクトルのピークエネルギーによく一致しているため、厚さあたりより多くの光子を吸収できる可能性があります。これは、電子-正孔対を励起するのに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、半導体層を別の光吸収材料で完全に置き換えることができ、例えば、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が用いられる。
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、または金属で作られた硬質基板上に配置されるか、布などの柔軟な基板でセルが作られます。薄膜太陽電池は、結晶シリコンセルよりも安価で、環境への影響も小さい傾向があります。[ 28 ]また、薄くて柔軟な性質により、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の変換効率は結晶シリコンよりも2～3パーセントポイント低いですが、[ 29 ]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。テルル化カドミウム（CdTe）、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）、アモルファスシリコン（a-Si）は、最も有名な薄膜技術の3つです。
テルル化カドミウム（CdTe）は、薄膜技術の主流であるカルコゲナイド材料です。世界の太陽光発電生産量の約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。[ 30 ]： 24-25また、CdTeは、大量生産されているすべての太陽光発電技術の中で最もエネルギー回収期間が短く、好条件の場所では最短で8か月です。[ 30 ]： 31 CdTeは、地球温暖化係数や重金属排出量など、多くの重要な環境影響要因において、他のほとんどの薄膜太陽光発電材料よりも優れた性能を発揮します。[ 31 ]主要なメーカーは、アリゾナ州テンピに拠点を置く米国のFirst Solar社で、約18%の効率のCdTeパネルを製造しています。[ 32 ]
カドミウムの毒性はそれほど大きな問題ではなく、CdTeモジュールの寿命終了後のリサイクルによって環境上の懸念は完全に解消されるかもしれないが、[ 33 ]依然として不確実性があり[ 34 ]、世論はこの技術に対して懐疑的である[ 35 ] [ 36 ] 。希少材料の使用も、CdTe薄膜技術の産業規模拡大を制限する要因となる可能性がある。テルル（テルル化物は陰イオン形態）の希少性は地殻中の白金の希少性に匹敵し、モジュールのコストに大きく影響する[ 37 ] 。
CdTeと同様に、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）とその変種はカルコゲナイド化合物半導体です。CIGS太陽電池は、2021年に実験室で23%を超える効率を達成し（表を参照）、PV市場全体で0.8%のシェアを獲得しました。[ 42 ] 2025年には、研究者らはCIGSベースのタンデム太陽電池で新たなマイルストーンを達成し、フレキシブルなペロブスカイト-CIGSタンデムデバイスで23.64%の世界記録の電力変換効率を報告し、CIGS技術の性能の継続的な進歩を強調しました。 [ 43 ]多くの企業がCIGS太陽電池とモジュールを製造してきましたが、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停止しました。
実際の研究では、個々の層を改変または置換することによって、製造および機能に関連する特性を改善することを目指しています。例えば、
太陽電池の他の層の開発可能性とは別に、吸収材料である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、太陽電池が吸収する太陽光スペクトルの割合を変えることができ、CIGSセルは多接合型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。[ 46 ]
銅の一部を銀で、セレンの一部を硫黄で置換して、化合物 (Ag z Cu 1-z )(In 1−x Ga x )(Se 1−y S y ) 2 を得ることも可能です。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、CIGS という略語は、硫黄とセレンの両方を含む化合物を指す場合があります。銀を含む化合物は、ACIGS と呼ばれることもあります。CIGS の組成のバリエーションは現在も研究されており、一部は工業的に製造されています。
シリコン薄膜には、主に3つの主要な構造が存在する。
アモルファスシリコン（a-Si）は、シリコンの非結晶性同素体であり、現在までに最も発展した薄膜技術です。薄膜シリコンは、従来のウェハ（またはバルク）結晶シリコンの代替品です。カルコゲナイドベースのCdTeおよびCIS薄膜セルは研究室で大きな成功を収めて開発されていますが、シリコンベースの薄膜セルに対する産業界の関心は依然として高いです。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、CISの材料の複雑さによる製造歩留まりの低さなど、CdTeおよびCISの同等品に比べて問題が少ないです。さらに、太陽光発電において「グリーン」ではない材料を使用することには政治的な抵抗がありますが、標準的なシリコンを使用することには偏見はありません。
このタイプの薄膜セルは、主にプラズマ強化化学気相堆積法と呼ばれる技術によって製造されます。この技術では、シラン（SiH 4 ）と水素の混合ガスを使用して、透明導電性酸化物の層で既にコーティングされたガラス、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。アモルファスシリコンを基板上に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ー化学気相堆積法があります。[ 48 ]
アモルファスシリコン（a-Si）は、豊富に存在し、毒性のない材料であるため、太陽電池材料として魅力的です。低い加工温度で済み、少量のシリコン材料で柔軟かつ低コストの基板上に大量生産が可能です。また、バンドギャップが1.7 eVであるため、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、弱い光でも優れた性能を発揮します。これにより、結晶シリコン太陽電池とは異なり、拡散光や間接光にさらされると効率が著しく低下するため、早朝や夕方、曇りや雨の日でも発電することができます。
しかしながら、アモルファスシリコン（a-Si）太陽電池の効率は、稼働開始後最初の6ヶ月間で約10～30%も大幅に低下します。これはスタブラー・ロンスキー効果（SWE）と呼ばれ、太陽光への長時間の曝露によって生じる光伝導率と暗伝導率の変化による典型的な出力低下です。この劣化は150℃以上のアニーリング処理 によって完全に回復しますが、従来の結晶シリコン（c-Si）太陽電池ではそもそもこのような効果は見られません。
その基本的な電子構造はピン接合である。a-Siのアモルファス構造は、固有の高い無秩序性とダングリングボンドを意味し、電荷キャリアの伝導性が低い。これらのダングリングボンドは再結合中心として働き、キャリア寿命を著しく低下させる。通常、ニップ構造ではなくピン構造が使用される。これは、a-Si:Hにおける電子の移動度が正孔の移動度よりも約1～2桁大きいため、n型からp型コンタクトへ移動する電子の収集速度が、p型からn型コンタクトへ移動する正孔の収集速度よりも優れているためである。したがって、p型層は光強度が強い上部に配置し、接合部を通過する電荷キャリアの大部分が電子となるようにする必要がある。[ 49 ]
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ことで、多接合型太陽電池を作製できます。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ことで、より広い範囲の光スペクトルが吸収され、セルの全体的な効率が向上します。
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を形成します。上層のa-Si層が可視光を吸収し、赤外線部分は下層のμc-Si層に残ります。マイクロモルファス積層セルの概念は、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）で先駆的に開発され特許を取得しており[ 50 ] 、 TEL Solarにライセンス供与されています。マイクロモルファスの概念に基づいた、モジュール効率12.24%の世界新記録PVモジュールが、2014年7月に独立認証されました[ 51 ]。
すべての層が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の間の遷移で達成できます。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つため、nc-Siはc-Siを置き換えることができます。[ 52 ]
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。[ 53 ]これらのタイプのシリコンは、ダングリングボンドとツイストボンドを持ち、その結果、深い欠陥（バンドギャップ内のエネルギー準位）と価電子帯および伝導帯の変形（バンドテール）が生じます。
バルクシリコンの利点と薄膜デバイスの利点を融合させる新たな試みとして、ガラス基板上に薄膜多結晶シリコンを成膜する方法がある。このモジュールは、プラズマCVD（PECVD）を用いて、テクスチャ加工されたガラス基板上に反射防止膜とドーピングされたシリコンを成膜することで製造される。ガラスのテクスチャ加工により、太陽電池から反射される入射光の量を減らし、光を太陽電池内部に閉じ込めることで、セルの効率が約3%向上する。シリコン膜は、400～600℃の温度でのアニーリング工程によって結晶化され、多結晶シリコンとなる。
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マイクロメートルであるガラス上の結晶シリコン（CSG）は、その安定性と耐久性で知られています。薄膜技術の使用は、バルク太陽電池に比べてコスト削減にも貢献しています。これらのモジュールは、透明導電性酸化物層を必要としません。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、コンタクトスキームの構築プロセスがはるかに簡単になります。これらの簡素化の両方により、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程度であることが示されています。[ 47 ]
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よく用いられる材料です。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一つであり続けています。[ 54 ] 2019年現在、単結晶GaAsセルは、単接合太陽電池の中で最高の太陽電池効率である29.1%を達成しています。[ 55 ]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増加させることで、この高効率を実現しました。これにより、短絡電流密度と開放電圧値がショックレー・クイサー限界に近い値に達しました。[ 56 ]その結果、GaAs太陽電池はほぼ最大効率に達していますが、光閉じ込め戦略を採用することでさらに改善の余地があります。[ 57 ]
GaAs薄膜は、基板材料上に半導体をエピタキシャル成長させることで製造されるのが一般的です。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、最も有望で効果的な方法であることが証明されています。この方法では、エピタキシャル膜と基板の間に配置した犠牲層を選択的にエッチングすることで、薄膜層を基板から剥離します。[ 58 ]分離プロセスを通してGaAs膜と基板への損傷は最小限に抑えられるため、ホスト基板を再利用できます。[ 59 ]基板を再利用することで製造コストを削減できますが、基板の再利用回数には限りがあるため、完全にコストを削減することはできません。[ 57 ]このプロセスは依然として比較的コストがかかるため、エピタキシャル膜層を基板上に成長させるためのよりコスト効率の良い方法を見つけるための研究が続けられています。
GaAs薄膜セルは高い性能を持つものの、材料費が高額なため、太陽電池業界での普及が阻害されている。GaAsは、宇宙船の太陽電池パネル用の多接合型太陽電池（InGaP / (In)GaAs / Geセル）に多く用いられている。これは、出力重量比が大きいため、宇宙空間での太陽光発電における打ち上げコストが低減されるためである。また、集光型太陽光発電にも用いられている。集光型太陽光発電は、日照量の多い場所に最適な新興技術であり、レンズを用いて太陽光をはるかに小型で安価なGaAs集光型太陽電池に集光する。
国立再生可能エネルギー研究所は、多くの薄膜技術を新興太陽光発電技術として分類しています。これらの技術のほとんどはまだ商業的に応用されておらず、研究開発段階にあります。多くは有機材料、特に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不安定性や低効率といった課題を抱えていましたが、ペロブスカイトなどの一部の新興材料は、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、単接合型固体太陽電池の効率に関するショックレー・クイサー限界を超える可能性を秘めています。低コストで高効率、かつ環境負荷の少ない太陽電池の実現が期待されるこれらの技術には、多大な研究投資が行われています。
銅亜鉛スズ硫化物または Cu(Zn,Sn)(S,Se) 2（一般的に CZTS と略される）およびその誘導体である CZTSe および CZTSSe は、カルコゲナイド（CdTe や CIGS/CIS など）のグループに属し、ケステライトと呼ばれることもあり、地球上に豊富に存在する無毒の元素で構成されています。CdTe や CIGS とは異なり、CZTS は豊富に存在する無毒の原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 比を変えることで調整でき、これは最適な太陽電池を設計する上で望ましい特性です。[ 60 ]
CZTSは光吸収係数も高いが、現在の研究は高い欠陥密度とバンドテール効果に起因する効率損失の克服に焦点を当てている。現在最も効率的なCZTS太陽電池は12.6%程度の効率に達しているが、[ 61 ] [ 62 ]これはCdTeやCIGSの同等品よりも低い。効率をさらに向上させるために、研究者たちは光損失の低い（反射率の高い）代替バックコンタクトや、キャリア輸送を最適化し再結合損失を低減する方法を模索している。[ 63 ]
その他の新興カルコゲナイド太陽電池（PV）材料には、Sb₂(S,Se)₃などのアンチモン系化合物が含まれます。CZTSと同様に、これらの材料は調整可能なバンドギャップと強い光吸収を示します。アンチモン系化合物は準一次元結晶構造も有しており、デバイスエンジニアリングに利点をもたらす可能性があります。これらの新興カルコゲナイド材料は、確立された薄膜太陽電池技術ファミリーとの関係から恩恵を受けています。2022年現在、CZTS太陽電池は報告されている電力変換効率が約12.6%であるのに対し、アンチモン系太陽電池は最大9.9%の効率を達成しています。[ 64 ]
色素増感セル（グレーツェルセルまたはDSPVとも呼ばれる）は、一種の人工光合成を行う革新的なセルであり、バルク固体半導体やpn接合を必要としません。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、白金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み、ガラスで封入して構築されます。光子がセルに入ると、色素分子に吸収され、色素分子は増感状態になります。この状態では、色素分子は半導体の伝導帯に電子を注入することができます。色素の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、電気接点を介して電流として流れ出します。[ 66 ]
色素増感太陽電池は、安価でコスト効率の良いロールベースの製造が可能であるため魅力的です。[ 60 ]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実現できません。[ 60 ]また、色素増感セルは、特に液体電解質のために、安定性と劣化の問題も抱えています。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。[ 65 ]
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。[ 67 ]
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が低く、高い吸収係数で調整可能です。[ 65 ]有機太陽電池の製造もコスト効率が高く、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係数など、幅広い影響要因において、すべての太陽光発電技術の中で最も環境負荷が低いものの一つです。[ 68 ]
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 Lab）の科学者たちは、有機太陽電池を柔軟な布基板に統合し、劣化することなく500回以上巻き戻すことができるようにしました。[ 22 ]
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、材料固有の限界により、他の薄膜セルよりも効率が低い傾向があります。[ 65 ] 2023年現在、有機太陽電池で達成された最大効率は18.2%です。[ 67 ]
ペロブスカイトは、共通の結晶構造を持つ材料群であり、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用途で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。[ 69 ] 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、単結晶シリコンに匹敵しています。ペロブスカイトは、さらに高い効率を達成するために、結晶シリコン、CIGS、およびその他のPV技術とのタンデムセルやマルチ接合セルにも一般的に使用されています。[ 67 ]また、低コストの用途も幅広く提供しています。[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
しかし、ペロブスカイトセルは寿命が短い傾向があり、2016年時点では5年が一般的な寿命でした。[ 69 ]これは主に、光、水分、紫外線、高温にさらされた際の化学的不安定性によるもので、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もあります。したがって、適切な封止が非常に重要です。[ 65 ]
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。[ 60 ] QDPVは、多重励起子生成（MEG）と呼ばれるプロセスで、光子あたり1つ以上の電子-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、[ 31 ] 2023年現在、QDPVセルで達成された最大効率は約18.1%です。[ 67 ]この効率はショックレー・クイサー限界を超えており、QDPVは魅力的な新興技術となっています。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はるかに少ないため、製造コストが低くなります。
これらの利点にもかかわらず、量子ドット太陽電池は、高い欠陥密度、安定性の問題、高い電荷再結合率など、依然として大きな課題に直面しています。さらに、量子ドットの合成と処理には、鉛やカドミウムなどの有毒物質が使用されることが多く、環境問題を引き起こしています。[ 31 ]現在進行中の研究は、鉛フリー材料に基づく環境に優しい量子ドットの開発と、安定性と効率を高めるための量子ドット膜処理の改善に焦点を当てています。[ 63 ]
2022年には、窓と同じくらいの大きさの半透明太陽電池が報告されました[ 73 ]。これは、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のことです[ 74 ] [ 75 ]。また、2022年には、他の研究者が平均可視光透過率79%という記録的な太陽電池の製造を報告しており、これはほぼ目に見えません[ 76 ] [ 77 ] 。
薄膜PV材料は軽量で柔軟性がある傾向があり、建物一体型太陽光発電（BIPV）に自然と適しています。[ 78 ]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組み込むこと[ 13 ]や、屋根材の代わりに硬質薄膜パネルを使用することなどが挙げられます。BIPVは、通常の建材を使用しないことによる排出ガスの回避により、太陽電池モジュールによるライフサイクル環境負荷（温室効果ガス（GHG）排出など）を大幅に削減できます。[ 79 ]
導入当初は効率が低かったものの、多くの薄膜技術は、2023年時点で最大効率26.1%を誇る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実現しています。実際、GaAs薄膜セルとGaAs単結晶セルは、それぞれ29.1%と27.4%という、より高い最大効率を達成しています。様々な主要な薄膜材料を用いた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。
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しばしば 20 ～ 50% 低いことに注意することが重要です。[ 69 ] 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% です。[ 80 ]最高の効率を持つ薄膜セル試作機は 20.4% (First Solar) で、パナソニックの最高の従来型太陽電池試作機の効率 25.6% に匹敵します。[ 81 ] [ 82 ]
薄膜太陽電池の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）太陽エネルギー供給企業であるソーラーフロンティア社が達成した22.3%でした。ソーラーフロンティア社は、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、CIS技術を用いて0.5cm2のセルで22.3%の変換効率を達成しました。これは、業界のこれまでの薄膜記録である21.7%を0.6パーセントポイント上回るものでした。[ 83 ]
太陽電池の効率は、太陽電池に入射する光のうち、使用可能な電力に変換される割合を定量化したものです。太陽電池の効率には多くの要因が影響するため、効率は短絡電流、開放電圧、最大電力点、フィルファクター、量子効率などの追加の数値によってさらにパラメータ化される場合があります。短絡電流は、電圧負荷がない状態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状態でデバイスにかかる電圧、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との水平切片であり、短絡電流は曲線と電流軸との垂直切片です。最大電力点は、太陽電池の最大出力が得られる曲線上の点であり、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フィルファクターと呼ばれます。フィルファクターは、この最大電力点で太陽電池が達成する電力の量を表す指標です。直感的に、より正方形に近い形状で、上部と側面がより平坦な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、主にマクロ的な電気的特性に基づいて太陽電池の効率を特徴付けるのに対し、量子効率は、セルに入射する光子の数と抽出される電荷キャリアの数の比（外部量子効率）またはセルに吸収される光子の数と抽出される電荷キャリアの数の比（内部量子効率）のいずれかを測定します。いずれにしても、量子効率は太陽電池の微細構造をより直接的に調べる指標です。[ 85 ]
第三世代太陽電池の中には、集光器や多接合デバイス構造を統合することで効率を高めるものがある。[ 64 ]これにより、1太陽光照射下での単接合半導体太陽電池の効率が約42%であるショックレー・クイサー限界を超える効率が得られる可能性がある。 [ 86 ]
多接合セルとは、異なるバンドギャップを持つ複数の半導体層を組み込んだセルのことです。一般的な太陽電池では、太陽光スペクトルのピーク付近にバンドギャップを持つ単一の吸収層が使用され、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-正孔対を生成します。しかし、フェルミ準位を超える余剰エネルギーは熱化によって急速に散逸し、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、複数の吸収層を積み重ねることで、熱化によって失われたエネルギーの一部を回収できます。最上層は最もエネルギーの高い光子を吸収し、エネルギーの低い光子はバンドギャップの小さい下層へと通過させ、以下同様に続きます。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のエネルギーをより多く抽出することができます。
集光型太陽光発電は、セル上部に配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光します。これは、太陽光を集光する漏斗に似ています。吸収可能な光子の数を増やすことで電子-正孔対をより多く生成するだけでなく、電荷キャリアの濃度を高めることで導電率を高め、太陽電池の効率を向上させることができます。太陽電池に集光器を追加することで、効率を高めるだけでなく、セルの製造に必要なスペース、材料、コストを削減することもできます。[ 87 ]
これらの技術はどちらも、2023年時点で最も効率の高い太陽電池、すなわち効率47.6%の4接合集光型太陽電池に採用されている。[ 1 ]
細胞に入る光の量を増やし、吸収されずに漏れる光の量を減らすために、様々な技術が用いられてきた。最も分かりやすい方法は、細胞表面の上面接触面積を最小限に抑え、細胞に到達する光を遮る面積を減らすことである。
吸収が弱い長波長光は、シリコンに斜めに結合され、吸収を高めるためにフィルムを数回通過することができる。[ 88 ] [ 89 ]
入射光子のうち細胞表面から反射される光子の数を減らすことで吸収率を高めるための様々な方法が開発されてきた。反射防止コーティングを追加することで、表面コーティングの屈折率を変化させ、細胞内で破壊的干渉を引き起こすことができる。破壊的干渉によって反射波が消滅し、入射光がすべて細胞内に入射するようになる。
表面テクスチャリングは吸収率を高めるもう 1 つの方法ですが、コストが増加します。活性材料の表面にテクスチャを施すことで、反射光が屈折して再び表面に当たるため、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のテクスチャリングは、薄膜シリコン太陽電池の吸収率を高めるための効果的で経済的なアプローチです。[ 90 ]テクスチャ加工された背面反射板は、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施す代わりに、セルの前面コンタクトにフォトニック微細構造コーティングを施すことは、光閉じ込めのための興味深い代替手段となり得ます。これは、光起電力層の粗面化を回避しながら (それによって再結合の増加を防ぐ)、幾何学的反射防止と光散乱の両方を可能にするためです。[ 91 ] [ 92 ]
表面テクスチャリングに加えて、プラズモン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ために大きな注目を集めています。[ 93 ] [ 94 ]この方法は、貴金属ナノ粒子内の励起された自由電子の集団振動を利用します。この振動は、粒子の形状、サイズ、および周囲媒体の誘電特性によって影響を受けます。貴金属ナノ粒子を薄膜太陽電池の裏面に適用すると、プラズモン背面反射器が形成され、広帯域の光電流増強が可能になります。[ 95 ]これは、背面に配置された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することによってセルの前面に形成される半球状の凹凸による光結合の改善（幾何学的反射防止）の両方の結果です。[ 96 ]
反射損失を最小限に抑えることに加えて、太陽電池材料自体を最適化することで、到達した光子を吸収する確率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 ]薄膜セルを積層して多接合型太陽電池を作ることもできます。各層のバンドギャップは、異なる波長範囲を最適に吸収するように設計できるため、それらが合わさることでより広いスペクトルの光を吸収することができます。[ 98 ]
幾何学的考察をさらに進めると、ナノ材料の次元性を利用できる。大きな平行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実現しつつ、半径方向に沿って短い少数キャリア拡散長を維持する。[ 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る。これらのアレイの自然な形状は、より多くの光を捕捉するテクスチャ表面を形成する。
近年の従来型結晶シリコン（c-Si）技術の進歩と、世界的な深刻な供給不足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ジセレニド（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型c-Si太陽電池パネルのメーカーとの価格競争に直面し続けている。一部の企業（破産）は、特許とともに中国企業に原価を下回る価格で売却された。[ 101 ]
2013年、薄膜技術は世界全体の展開の約9％を占め、残りの91％は結晶シリコン（単結晶シリコンと多結晶シリコン）が占めていた。CdTeは市場全体の5％を占め、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はそれぞれ2％ずつとなっている。[ 30 ]： 18-19
近年の従来のc-Si技術の進歩によって生じた圧力に耐えられなかった著名なメーカーがいくつかあった。Solyndra社は2011年にすべての事業活動を停止し、連邦倒産法第11章に基づく破産を申請し、同じくCIGSメーカーであるNanosolar社も2013年に閉鎖した。両社ともCIGS太陽電池を製造していたが、失敗の原因は技術ではなく、Solyndra社の円筒形基板など欠陥のあるアーキテクチャを使用していた企業自身にあると指摘されている。[ 102 ] 2014年には、韓国のLG Electronics社が太陽光発電事業の再編に伴いCIGSの研究を中止し、Samsung SDI社はCIGSの生産を中止することを決定した。一方、中国の太陽光発電メーカーであるHanergy 社は、効率15.5%、 650mm× 1650mmのCIGSモジュールの生産能力を増強すると予想されている。 [ 103 ] [ 104 ] CI(G)S太陽光発電の最大手メーカーの1つは、ギガワット規模の製造能力を持つ日本のソーラーフロンティア社である。 [ 105 ] ( CIGS企業一覧も参照)。
CdTeの大手メーカーであるFirst Solar社は、世界最大級の太陽光発電所をいくつか建設しており、カリフォルニアの砂漠にあるデザート・サンライト太陽光発電所とトパーズ太陽光発電所 はそれぞれ550MWの容量を持ち、また、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太陽光発電所もその一つである。 [ 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 ]。2013年には、First SolarがGEのCdTe薄膜の知的財産ポートフォリオを買収し、事業提携を結んだ[ 108 ] 。 2012年には、テルル化カドミウムモジュールの製造会社であるAbound Solarが破産した[ 109 ] 。
2012年、かつてアモルファスシリコン（a-Si）技術の世界有数のメーカーであったECDソーラーは、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タンデムセルを製造していた太陽光発電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には、DuPont、BP、Flexcell、Inventux、Pramac、Schuco、Sencera、EPV Solar [ 112 ] NovaSolar (旧OptiSolar) [ 113 ]、および従来のシリコン太陽電池パネルに注力するために2010年にa-Siモジュールの製造を中止したSuntech Powerが含まれます。2013年、Suntechは中国で破産を申請しました。[ 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1ワットあたり0.36ユーロおよび0.46ユーロに下落しました[ 116 ] (約0.50ドルおよび0.60ドル) [ 117 ]
薄膜太陽電池の効率向上に伴い、立ちはぜ式金属屋根への設置コストは、従来の単結晶および多結晶太陽電池と遜色ないものとなっています。薄膜パネルは柔軟性があり、立ちはぜ式金属屋根に沿って設置され、接着剤で金属屋根に貼り付けられるため、設置に穴を開ける必要はありません。接続線は屋根の頂上にある棟板の下を通ります。効率は10～18%ですが、設置容量1ワットあたりのコストは約2.00～3.00ドルです。一方、単結晶太陽電池は効率が17～22%で、設置容量1ワットあたり3.00～3.50ドルかかります。薄膜太陽電池は1平方フィートあたり7～10オンスと軽量です。薄膜ソーラーパネルは10～20年持ちますが[ 118 ] 、従来のソーラーパネルよりも投資回収期間が短く、金属屋根はアスファルトシングル屋根の12～20年に比べて40～70年持ちます。[ 119 ] [ 120 ]
1998年、国立再生可能エネルギー研究所の科学者たちは、薄膜太陽光発電システムを1平方メートルあたり50ドルのコストで製造することがいつか可能になり、そうなれば非常に経済的に実現可能になると予測した。この価格であれば、薄膜太陽光発電システムは30%以上の投資収益率をもたらすだろう。[ 121 ]
この目標達成を支援するため、国立再生可能エネルギー研究所は2022年にカドミウムテルル加速器コンソーシアム（CTAC）の運営を開始し、2025年までに24%を超える薄膜効率と1ワットあたり20セント以下のコストを実現し、続いて2030年までに26%を超える効率と1ワットあたり15セント以下のコストを実現することを目標としている。[ 122 ]
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、これがどの程度問題になるかは材料によって異なり、より確立された薄膜材料は一般的に寿命が長くなっています。単結晶シリコンパネルの標準寿命は通常30年とされ[ 79 ]、性能劣化率は年間約0.5%です[ 123 ] 。アモルファスシリコン薄膜は、セル寿命が同程度である傾向があり[ 79 ]、性能劣化率は年間約1%とやや高くなっています[ 123 ]。CIGSやCISなどのカルコゲナイド技術は、20～30年の同様の寿命[ 31 ] [ 64 ]と、年間1%強の性能劣化率を持つ傾向があります[ 123 ] 。新興技術は寿命が短い傾向があります。有機太陽電池の寿命は、2016年時点で最大7年、平均5年と報告されていましたが[ 68 ]、2020年時点では平均寿命は15～20年にまで延びています[ 124 ]。同様に、色素増感太陽電池の寿命は、2007年時点で最大10年と報告されていましたが[ 31 ] 、 2020年時点では平均寿命は15～30年にまで延びています[ 124 ]。ペロブスカイト太陽電池は寿命が短い傾向があり、2016年時点では平均寿命は5年です[ 69 ]。量子ドット太陽電池の寿命は、開発段階にあるため不明確で、寿命が25年に達すると予測するものもあれば[ 31 ]、現実的な寿命を1～10年とするものもある[ 124 ] 。
薄膜モジュールの中には、さまざまな条件下で劣化の問題を抱えているものもあります。ほぼすべての太陽電池は、妥当な動作温度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、温度依存性の性能低下が小さい場合があり、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は温度による性能劣化に対して最も優れた耐性を示します。[ 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不能に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りがちで、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。[ 65 ]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、有機太陽電池はさらに大きな程度で劣化します。[ 123 ] [ 65 ]量子ドットセルは、水分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、または紫外線にさらされると劣化します。[ 65 ]有機セルも一般的にやや不安定であると考えられていますが、[ 65 ]有機セルの耐久性は改善されており、2022 年現在、性能の著しい低下なしに 500 回巻き戻せる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 は温度や湿気などの環境条件に対してかなり耐性がありますが、柔軟な CdTe パネルは、加えられた応力や歪みの下で性能が劣化する可能性があります。[ 65 ]
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、国際エネルギー機関が掲げる2050年までに世界の太陽光発電容量を4674 GWにするという目標に追いつくには、2022年時点での世界の設置容量1185 GWから大幅な拡大が必要です。[ 126 ]薄膜太陽電池の効率が向上し、商業的に実現可能になったことで、これらの目標達成において重要な役割を果たすことが明らかになりました。そのため、既存の技術を比較し、開発中の技術における改善すべき主要な領域を特定するために、その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、確立された太陽光発電モジュールと比較してデバイス寿命が比較的短いことの影響を評価し、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）排出量などの主要な要因以外にも、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活動家は、これらの問題に取り組む方法としてライフサイクル分析を使用してきた。[ 78 ]
ライフサイクル分析（LCA）は、原材料の収集から製造、運用、最終廃棄に至るまでの製品の環境への影響全体を評価するものです。LCA研究の結果は、特定のアプローチと使用されるデータに依存するため、行われた仮定はすべて明記する必要があります。廃棄プロセスは不確実性が高いため、ライフサイクル分析から除外されることがあります。このような研究では、廃棄プロセスによる重要な環境影響が見落とされる可能性があります。輸送、設置、保守などのサービスバランス（BOS）ステップの影響も、材料と電力の面でコストがかかる可能性があるため、含めることが重要です。[ 78 ]
太陽電池の場合、おそらく最も重要な影響要因は、ライフサイクル全体における温室効果ガス（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。 [ 64 ]
環境影響のもう 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 (通常は電力) 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にわたって製造、使用、廃棄するため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) かもしれません。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賄うのに十分なエネルギーを生成するのに必要な稼働時間を測定します。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た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のに十分な電力を生成するのに必要な稼働時間を測定します。言い換えれば、CPBT は、太陽電池が自身の炭素排出量を緩和するために稼働する必要がある時間を測定します。[ 68 ]
製造時の電力関連排出量と、セルの運転中に太陽光発電された電力から回避される電力関連排出量は、特定のモジュールと用途によって異なる場合があります。セルからの排出量は、取り付け金具の製造に必要な原材料とエネルギーコスト、および代替された建築材料からの回避された排出量にも依存する場合があります。たとえば、太陽光パネルが屋根瓦などの建築材料に取って代わる場合などです。[ 79 ]
その他の重要な影響要因には、有毒重金属排出、金属枯渇、人体毒性、さまざまな生態毒性（海洋、淡水、陸上）、および硫黄酸化物と窒素酸化物の排出量を測定する酸性化ポテンシャルが含まれます。 [ 68 ] [ 31 ]ライフサイクル分析に幅広い環境影響を含めることは、温室効果ガス排出のような顕著な影響要因から、人体毒性のようなそれほど顕著ではないが依然として関連のある影響要因に環境影響が移行する可能性を最小限に抑えるために不可欠です。[ 78 ]
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において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尺度は、さまざまな薄膜材料について、1キロワット時の電力生産あたりのCO2換算排出量のグラム単位でグラフに表示されます。[ 31 ] [ 79 ] [ 124 ]比較のために結晶シリコンも含まれています。
温室効果ガス排出量のみで見ると、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、単結晶シリコン太陽電池よりも地球温暖化係数（GWP）が著しく低く、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低い。[ 69 ] [ 79 ]有機太陽電池は、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%以上低い。[ 68 ]
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、効率が低くデバイス寿命が短いため、環境への影響が大幅に増加する可能性があります。新興のカルコゲナイド技術と、CISやCIGSなどの確立されたカルコゲナイド技術の両方は、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。アンチモンベースのカルコゲナイドセルは、製造プロセスで毒性の低い材料を使用しているため有利ですが、効率が低く、そのため太陽電池の面積要件が大きくなることが、環境への影響が増加する主な要因であり、効率がわずかに向上したセルは、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ナイドセルの効率を向上させることは優先事項です。[ 64 ]量子ドット太陽電池の比較的大きなGWPの背後にある主な要因も、実現効率の低さです。これらの材料は、単一の光子から複数の励起子生成（MEG）を示す可能性があります。効率が向上すれば、活性層を薄くすることができ、量子ドット自体の材料コストを削減できるだけでなく、封止材に関連する材料や排出量も節約できます。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軽減するための優先事項でもあります。[ 31 ]
有機太陽電池の場合、短い寿命がGWPの主な要因となっています。他の太陽光発電技術と比較してOPVの全体的なパフォーマンスは印象的ですが、ゆりかごから墓場まで（つまり、太陽電池の有用寿命を除外して材料の抽出と生産プロセスのみを見る）ではなくゆりかごからゲートまでのGWPを考慮すると、OPVは単結晶シリコンと比較してGHG排出量を97%削減し、アモルファスシリコン薄膜と比較して92%削減します。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%の削減よりもはるかに優れているため、OPVセルの寿命を改善することは、全体的な環境への影響を減らすための優先事項です。[ 68 ]寿命がわずか約5年のペロブスカイト太陽電池の場合、この効果はさらに顕著になる可能性があります。ペロブスカイト太陽電池（グラフには含まれていません）は、ゆりかごから墓場までのLCAで、他の薄膜材料よりも地球温暖化係数が著しく大きく、150g CO2 -eq /kWhで単結晶シリコンの約5～8倍悪いです。しかし、グレードからゲートまでの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%低い性能を示しており、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があることに伴う環境負荷の増加の重要性が強調されています。したがって、ペロブスカイト太陽電池モジュールの寿命を延ばすことは、環境負荷を低減するための最優先事項です。[ 69 ]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が小さい場合があります。[ 31 ]
注目すべきは、新興の薄膜材料は地球温暖化係数の点で単結晶シリコンセルを上回ってはいないものの、比較的クリーンな天然ガス（517g CO 2-eq /kWh）から最も汚染度の高い褐炭（1100g CO 2 -eq/kWh以上）まで、地球温暖化係数が幅広い非再生可能エネルギー源よりも、はるかに低い炭素排出量であることである。薄膜セルは、400～800g CO 2-eq / kWhの範囲にあることが多い一般的なエネルギーミックスを大幅に上回る。[ 79 ]
地球温暖化係数を含むほとんどの影響要因に最も大きく寄与しているのは、ほぼ常に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きく上回っています。[ 79 ]例えば、CIGSセルでは、これが地球温暖化係数の98%を占めており、そのほとんどは吸収層の製造に起因しています。[ 64 ]一般的に、金属堆積を含むプロセスでは、これは特に重要な環境影響のホットスポットとなることがよくあります。[ 78 ]量子ドット太陽電池の場合、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く寄与しています。[ 31 ]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 ]
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 ]特に一部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。[ 31 ]その結果、薄膜技術はエネルギー回収時間に関して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伴う一次エネルギー需要（PED）が比較的低いことに起因します。
モジュールが使用される用途や、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エネルギー効率と温室効果ガス排出量に大きな影響を与える可能性があります。モジュールを建物の設計に組み込むことで、通常の建築材料の製造に関連する排出量が回避されるため、セルの環境負荷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の製造に伴う排出量が回避されます。[ 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と適している薄膜太陽電池にとって特に重要です。[ 78 ]携帯型充電用途では排出量が70～90%削減されます。[ 68 ]この効果は他の用途にも当てはまります。たとえば、有機太陽電池は、ソーラーパネル用途で結晶シリコンよりも排出量が55%少なくなります。同様に、新しい材料を集めて加工するのではなく、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構成要素、およびCdTe太陽電池のガラス基板、CdTe、CdSについて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の短いパネルの場合、パネルの廃棄は環境への影響に大きく寄与する可能性があり、パネルを焼却するか埋め立て地に送るかで環境影響係数にほとんど違いがない可能性があります。[ 68 ]
原材料の選定と採掘は、地球温暖化係数において大きな役割を果たさないものの（製造工程における電力使用がほぼ例外なく最大の要因である）、人体への毒性、重金属排出、酸性化の可能性、金属やオゾン層の破壊など、その他の重要な環境影響要因には大きな影響を与えることが多い。
薄膜太陽電池の製造において、人体への毒性や重金属の排出は特に重要な影響要因である。カドミウムの使用による潜在的な環境および健康への影響は、カドミウム含有化合物の危険性が十分に理解されていなかった1990年代にCdTeセルが商業市場に導入されて以来、特に懸念されてきた。[ 127 ] CdTe太陽電池が普及するにつれて、CdTe太陽電池に対する一般の懸念は続いている。[ 128 ]カドミウムは腎臓、骨、肺に損傷を与える非常に危険な物質であり[ 129 ] 、癌の発症リスクを高めると考えられている。 [ 130 ]当初、すべてのカドミウム含有化合物は危険物として分類されていたが、現在ではCdとTeはそれぞれ単独では危険物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[ 2 ]、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る。[ 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もたらし、人体毒性や重金属排出などの環境影響要因に大きく寄与することが多い。[ 64 ]これらの影響は、QDPV 用の量子ドットの製造のように、溶液中に Cd イオンを生成するナノ加工プロセスでより顕著になる可能性がある。[ 31 ]これらの影響により、CdTe 太陽電池の製造は、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わかっている。実際、CdTe の製造は、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。[ 31 ]総重金属排出量に関して言えば、量子ドットPVはPV材料の中で最も排出量が多く、約0.01mg /kWhですが、グラフに示すように、他のどの再生可能エネルギー源や非再生可能エネルギー源よりも総重金属排出量は低くなっています。
カドミウムおよびCdTe太陽電池に関する安全性の懸念を軽減したいという要望から、無毒または毒性の低い他のカルコゲナイドPV材料、特にアンチモンベースのカルコゲナイドの開発が進められてきました。これらの新興カルコゲナイドセルでは、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PV材料や他の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、ステンレス鋼がセル製造に関連する総毒性の80%を占め、オゾン層破壊にも大きく寄与しています。[ 64 ]
PV製造において関心のあるもう1つの潜在的な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する硫黄酸化物と窒素酸化物の排出量とそれらの負の環境影響を定量化したものです。この点において、QDPVは排出量が最も少なく、CdTeがそれに次ぐ値となっています。[ 31 ]
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク){{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)サムスンSDIはCIGS薄膜太陽電池モジュールの生産中止を決定した。Hanergy：49ページの表3。