第3世代太陽電池

第 3 世代の太陽電池は、単一バンドギャップ太陽電池の電力効率 31～41% というショックレー・クワイサー限界を克服できる可能性のある太陽電池です。これには、半導体pn 接合(「第 1 世代」) で作られたセルと薄膜セル(「第 2 世代」)のさまざまな代替品が含まれます。一般的な第 3 世代システムには、アモルファスシリコンまたはガリウムヒ素で作られた多層 (「タンデム」) セルが含まれますが、より理論的な開発には、周波数変換 (つまり、セルが使用できない光の周波数をセルが使用できる光の周波数に変換して、より多くの電力を生成する)、ホットキャリア効果、およびその他のマルチキャリア放出技術が含まれます。^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]

新興の太陽光発電には以下のものがあります。

銅亜鉛スズ硫化物太陽電池（CZTS）およびその誘導体CZTSeおよびCZTSSe
色素増感太陽電池、別名「グレッツェルセル」
有機太陽電池
ペロブスカイト太陽電池
量子ドット太陽電池

特にペロブスカイト太陽電池の研究成果は、その研究効率が最近20％以上に急上昇したことで、世間で大きな注目を集めています。また、低コストの幅広い用途も提供しています。^[6]^[7]^[8]さらに、もう1つの新興技術である集光型太陽光発電（CPV）は、高効率の多接合太陽電池を光学レンズと追跡システムと組み合わせて使用します。

テクノロジー

太陽電池は、ラジオ受信機の可視光版と考えることができます。受信機は、3 つの基本部分で構成されています。アンテナは、電波 (光) をアンテナ材料内の電子の波のような動きに変換します。電子バルブは、アンテナの端から飛び出す電子を捕らえます。チューナーは、選択した周波数の電子を増幅します。ラジオと同じ太陽電池を構築することは可能であり、このシステムは光レクテナとして知られていますが、これまでのところ実用化されていません。

太陽光発電市場の大部分はシリコンベースのデバイスで構成されています。シリコンセルでは、シリコンはアンテナ（技術的には電子供与体）と電子バルブの両方の役割を果たします。シリコンは広く入手可能で、比較的安価であり、太陽光収集に最適なバンドギャップを持っています。欠点は、シリコンを大量生産するにはエネルギー的にも経済的にもコストがかかるため、必要な量を減らすために多大な努力が払われてきたことです。さらに、シリコンは機械的に壊れやすいため、通常は機械的サポートと要素からの保護として強力なガラス板を使用する必要があります。ガラスだけで、一般的なソーラーモジュールのコストのかなりの部分を占めています。

ショックレー・クワイサー限界によれば、セルの理論上の効率の大部分は、バンドギャップと太陽光子のエネルギー差によるものです。バンドギャップよりもエネルギーが高い光子は光励起を引き起こしますが、バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーは失われます。太陽スペクトルを考えてみましょう。地面に到達する光のうち青色はごく一部ですが、それらの光子は赤色光の 3 倍のエネルギーを持っています。シリコンのバンドギャップは 1.1 eV で、赤色光とほぼ同じであるため、この場合、青色光のエネルギーはシリコンセルで失われます。バンドギャップを高く、たとえば青色に調整すると、そのエネルギーは捕捉されますが、その代償として、よりエネルギーの低い光子は排除されます。

異なるバンドギャップを持つ薄い層の材料を積み重ねることで、単接合セルを大幅に改善することが可能です。これは「タンデムセル」または「マルチ接合」アプローチです。従来のシリコン調製方法は、このアプローチには適していません。代わりにアモルファスシリコンの薄膜が使用されてきましたが、特にユニソーラーの製品がそうですが、他の問題により、従来のセルの性能に匹敵することはできませんでした。ほとんどのタンデムセル構造は、より高性能な半導体、特にガリウムヒ素(GaAs) に基づいています。3 層の GaAs セルは、実験例で 41.6% の効率を達成しました。^[9] 2013 年 9 月には、4 層のセルが 44.7% の効率を達成しました。^[10]

数値解析によると、「完璧な」単層太陽電池は、シリコンとほぼ同じ 1.13 eV のバンドギャップを持つはずです。このようなセルは、理論上の最大電力変換効率が 33.7% になります。赤より下の太陽光エネルギー (赤外線) が失われ、高色の余分なエネルギーも失われます。2 層セルの場合、1 つの層を 1.64 eV、もう 1 つの層を 0.94 eV に調整すると、理論上のパフォーマンスは 44% になります。3 層セルの場合は、1.83、1.16、0.71 eV に調整すると、効率は 48% になります。理論上の「無限層」セルは、拡散光に対して理論上の効率が 68.2% になります。^[11]

発見された新しい太陽光発電技術はナノテクノロジーを中心にしていますが、現在使用されている材料方法はいくつかあります。

第三世代というラベルには複数の技術が含まれますが、これには非半導体技術（ポリマーやバイオミメティクスを含む）、量子ドット、タンデム/マルチ接合セル、中間バンド太陽電池、^[12]^[13] ホットキャリアセル、光子アップコンバージョンおよびダウンコンバージョン技術、そしてサーモフォトニクスなどの太陽熱技術が含まれます。サーモフォトニクスは、グリーン氏が第三世代と特定した技術の1つです。^[14]

また、以下のものも含まれています。^[15]

シリコンナノ構造
入射スペクトル（集光型太陽光発電）を変更して、300～500太陽エネルギーと32％（Sol3gセル^[16]ですでに達成）の効率を+50％に到達させます。
過剰な熱発生（紫外線による）を利用して電圧やキャリア収集を強化します。
夜間に赤外線スペクトルを利用して電気を生成します。

参照

参考文献

^ Shockley, W.; Queisser, HJ (1961). 「pn接合太陽電池の効率の詳細なバランス限界」.応用物理学ジャーナル. 32 (3): 510. Bibcode :1961JAP....32..510S. doi :10.1063/1.1736034.
^ ルケ、アントニオ;ロペス・アラウホ、ヘラルド（1990）。太陽光発電エネルギー変換の物理的制限。ブリストル：アダム・ヒルガー。ISBN 0-7503-0030-2。
^ Green, MA (2001). 「第三世代の太陽光発電：低コストで超高変換効率」.太陽光発電の進歩：研究と応用. 9 (2): 123–135. doi :10.1002/pip.360.
^ Martí, A.; Luque, A. (2003 年 9 月 1 日)。次世代太陽光発電: 全スペクトル利用による高効率。CRC Press。ISBN 978-1-4200-3386-1。
^ Conibeer, G. (2007). 「第三世代太陽光発電」. Materials Today . 10 (11): 42–50. doi : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .
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^ 「スプレー堆積法がペロブスカイト太陽電池の商業化を推進」ChemistryWorld 2014年7月29日2015年8月4日閲覧。
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^ David Biello、「太陽電池の効率新記録樹立」、Scientific American、2009年8月27日
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^ Weiming Wang、Albert S. Lin、Jamie D. Phillips (2009)。「ZnTe:O ベースの中間バンド光起電力太陽電池」。Appl . Phys. Lett . 95 ( 1): 011103。Bibcode : 2009ApPhL..95a1103W。doi :10.1063/1.3166863。
^ グリーン、マーティン（2003）。第三世代太陽光発電：高度な太陽エネルギー変換。シュプリンガーサイエンス+ビジネスメディア。ISBN 978-3-540-40137-7。
^ UNSW 太陽光発電工学部。「第三世代太陽光発電」。2008年6 月 20 日閲覧。
^ Sol3g が Azur Space からトリプル接合太陽電池を確保

外部リンク

太陽電池のさまざまな世代
バージニア工科大学での研究
サンホアキンバレーの太陽光発電競争
シリコン対CIGS: 太陽エネルギーの場合、問題は物質である
スタートアップ企業が薄膜シリコン太陽電池をターゲットに
スプレー式太陽光発電セルは真のブレークスルー
太陽電池：新しい光のファンタスティック
ホンダ、次世代薄膜太陽電池を量産へ
用語集

[1] Shockley, W.; Queisser, HJ (1961). 「pn接合太陽電池の効率の詳細なバランス限界」.応用物理学ジャーナル. 32 (3): 510. Bibcode :1961JAP....32..510S. doi :10.1063/1.1736034.

[2] ルケ、アントニオ;ロペス・アラウホ、ヘラルド（1990）。太陽光発電エネルギー変換の物理的制限。ブリストル：アダム・ヒルガー。ISBN 0-7503-0030-2。

[3] Green, MA (2001). 「第三世代の太陽光発電：低コストで超高変換効率」.太陽光発電の進歩：研究と応用. 9 (2): 123–135. doi :10.1002/pip.360.

[MartíLuque2003-4] Martí, A.; Luque, A. (2003 年 9 月 1 日)。次世代太陽光発電: 全スペクトル利用による高効率。CRC Press。ISBN 978-1-4200-3386-1。

[5] Conibeer, G. (2007). 「第三世代太陽光発電」. Materials Today . 10 (11): 42–50. doi : 10.1016/S1369-7021(07)70278-X .

[6] 「安定したコスト削減型の新しいペロブスカイト太陽電池」PHYS.org 2014年7月17日2015年8月4日閲覧。

[7] 「スプレー堆積法がペロブスカイト太陽電池の商業化を推進」ChemistryWorld 2014年7月29日2015年8月4日閲覧。

[8] 「ペロブスカイト太陽電池」Ossila 2015年8月4日閲覧。

[9] David Biello、「太陽電池の効率新記録樹立」、Scientific American、2009年8月27日

[10] 「太陽電池が44.7パーセントの効率で世界新記録を達成」。2013年9月26日閲覧。

[11] グリーン、マーティン（2006年）。第三世代太陽光発電。ニューヨーク：シュプリンガー。66ページ。

[12] Luque, Antonio; Martí, Antonio (1997). 「中間レベルでの光子誘起遷移による理想的な太陽電池の効率向上」Physical Review Letters . 78 (26): 5014–5017. doi :10.1103/PhysRevLett.78.5014.

[13] Weiming Wang、Albert S. Lin、Jamie D. Phillips (2009)。「ZnTe:O ベースの中間バンド光起電力太陽電池」。Appl . Phys. Lett . 95 ( 1): 011103。Bibcode : 2009ApPhL..95a1103W。doi :10.1063/1.3166863。

[14] グリーン、マーティン（2003）。第三世代太陽光発電：高度な太陽エネルギー変換。シュプリンガーサイエンス+ビジネスメディア。ISBN 978-3-540-40137-7。

[15] UNSW 太陽光発電工学部。「第三世代太陽光発電」。2008年6 月 20 日閲覧。

[16] Sol3g が Azur Space からトリプル接合太陽電池を確保