先月、コロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所の研究者は、切手サイズの太陽電池をトレイに積み、高輝度パルスソーラーシミュレーターの下に設置した。 シミュレーターは 2.5 ミリ秒の光パルスをフラッシュし、19 枚のミラーが光子を細胞に反射しました。 さらに数ミリ秒の間、データはループ状のワイヤーの巣を通って NREL コンピューターに流入しました。 研究者たちは数値を計算して修正し、デバイス性能監督者のキース・エメリーがそれらを検証しました。太陽光発電効率の新しい世界記録が樹立されました。
一か八かの高度な技術を要する太陽光発電の世界では、セルに到達した生の太陽エネルギーが電気に変換される割合としてスコアが維持されます。 エメリー氏の研究室は米国で唯一、太陽電池効率の試験に関して国際電気標準委員会から認定を受けているため、エメリー氏は米国の非公式の太陽光発電スコアキーパーとなっている。
私たちは太陽光発電研究のルネサンス期にいます。この時代では、最も従来的な結晶シリコンから薄膜テルル化カドミウム、さらには話題の新発見に至るまで、絶え間ない革新によってあらゆる種類の太陽電池の効率が向上しています。ペロブスカイト細胞。 世界記録は猛烈な勢いで破られており、この最新記録樹立の背後にある研究者たちは、あまり長く祝う必要はないことを知っています。
太陽の聖杯: グリッドパリティ
太陽光発電コミュニティのほぼ全員が、最新の技術革新によって取り残された人々も含めて、この絶え間ない優位性が非常に良いことであることに同意しています。 太陽光発電業界にとって、効率評価は単なる自慢や研究助成金提案の材料ではありません。 これらは、「グリッドパリティ」、つまり太陽光発電の発電コストが石炭や天然ガス発電所のコストと同じ（またはそれ以下）に近づくための鍵となります。
“When you can develop solar cells that have super high efficiency, you unlock savings across the board,” says physicist John Rogers of the University of Illinois at Urbana?Champaign, a widely-revered leader in photovoltaic research. “You reduce the number of modules you build. You reduce the installation cost. Maintenance cost goes down. The amount of land you need goes down.”
太陽エネルギーの世界における経験則では、発電コストがワット当たり 1 ドルに達すると、太陽光発電は石炭や天然ガスと直接競争できるようになるということです。「基本的な前提は、何かをグリッド パリティに落とし込むと、テクノロジーの受け入れははるかに良くなりました」と、 米国エネルギー省の SunShot プログラムは、太陽光発電のコストを下げ、化石燃料による電力コストと同等、またはそれを上回ることを使命として 2011 年に設立されました。
太陽エネルギーの世界における経験則では、発電コストがワット当たり 1 ドルに達すると、太陽光発電は石炭や天然ガスと直接競合できるようになるということです。 SunShot が開始された当時、太陽光発電の電気料金は 5 ワットあたり 2.80 ドルでした。 それから XNUMX 年が経ち、コストはすでに XNUMX ワットあたり約 XNUMX ドルまで下がったとラメシュ氏は報告しています。
しかし、コスト削減という容易に実現できる成果のほとんどはすでに摘まれており、中国製太陽光パネルの供給過剰が太陽光発電の手頃な価格の大きな原動力となっている。 次の 1.80 ドルを削減するには、より高い効率で細胞を生産し、その発見を研究室から現実の世界に移すことが不可欠です。
「太陽光発電の場合、私たちは何をすべきか分かっています」とラメシュ氏は言います。 「製造コストを削減し、効率を向上させる必要があります。」
太陽光発電は効率を高める多くの機会を提供します
効率を向上させる機会は数多くあります。 焦点を当てている重要な領域の XNUMX つは、光エネルギーを捕捉して電流に変換するために使用される半導体材料です。 半導体として使用される各材料には、効率に関して独自の強みと限界があります。これは通常、それぞれが自然光スペクトルの特定のセグメントを吸収するのに最も優れているためです。そのため、もう少し優れた性能を発揮できる材料の探索が常に行われています。
効率を最大化するために、エンジニアはこれらの微細なセルのあらゆる側面を常にいじくり回しています。他の要因も同様にセルの最終効率に影響を与えます。それは、半導体材料が時間の経過とともにどのように劣化するか、セルの構造がどのように吸収を可能にするか、どの程度適切に吸収されるかなどです。電極は半導体が生成する電流を捕捉し、それを電気として生産的に利用します。 効率を最大化するために、エンジニアはこれらの微細なセルのあらゆる側面を常にいじくり回しています。最終的に最高の電流と電圧を生成するために化学反応や設計を変更しています。
さまざまな材料や設計にはさまざまな潜在効率があるため、特定のクラスの太陽電池の記録的な効率スコアは、他の太陽電池よりもはるかに高くなる可能性があります。 世界最高の薄膜太陽電池は最大約 23 パーセントを達成しますが、最高のシリコンベースのセルは約 26 パーセントを達成し、最高の多接合セル（互いに積み重ねられたさまざまな半導体を使用する）は 44 パーセントをクリアしています。 。
しかし、多接合セルは製造コストがはるかに高く、広範囲にわたる屋上環境では実際には使用できません。 したがって、25 パーセントを超える効率を記録するシリコン セルは、クロックが 40 を超える多接合セルと同じくらい刺激的で有望です。
太陽光発電効率の継続的な向上は期待できるでしょうか?
屋上や広大な太陽光発電所にあるソーラー パネルを想像するとき、おそらく頭の中に結晶シリコンのイメージがあるでしょう。 シリコンは何十年もの間、世界中で太陽光発電の主力製品であり、太陽電池用の半導体としては群を抜いて最も一般的です。 「シリコンは約 80 年間、市場の約 90 ～ 20 パーセントを占めてきました」と NREL の信頼性グループのマネージャーであるサラ・クルツ氏は言います。
この数十年間、シリコン電池の効率は着実に、しかしゆっくりと向上してきましたが、シリコンからこれ以上の効率を引き出すことはできないという考え方が一般的でした。 最近まで。
新興のシリコン会社である TetraSun は、NREL 研究者らを騒がせ、競合他社は危機感を抱いています。 TetraSun は、いくつかのシリコン慣例を覆すことにより、わずか 21 か月の作業で 18% の効率を記録しました。 これは大したことではないように聞こえるかもしれませんが、屋根で最もよく見かける一般的なスクリーン印刷されたシリコンセルをすでに数パーセントポイント上回っています。
TetraSun の秘密の一部は、悪名高いパフォーマンス アスリートの秘密、つまりドーピングです。 すべてのシリコン ウェーハはドープ (化学処理) されていますが、TetraSun のいわゆる「N 型」セルにはリンがドープされています。 これにより、従来のホウ素をドープした「P タイプ」ウェーハを悩ませていたのと同じ光誘発性の劣化をセルが受けるのを防ぎ、パネルの寿命まで長期間にわたり高い効率を維持するのに役立ちます。
企業がより大規模な太陽光発電施設の建設に目を向けるにつれて、高価なコンポーネントをより安価な材料に置き換えるこのような取り組みはますます重要になっています。
TetraSun の N 型セルも両面型で、モジュールの底部で反射する間接的な太陽光を半導体が捕捉できるようにするいくつかの巧妙なアーキテクチャを備えています。 さらに、TetraSun は、セルからの電流を集中させる典型的なシリコン太陽光発電パネルの前面にある銀のグリッドを銅の電極に交換しました。 それは実際にはそれほど単純ではありませんでした。TetraSun のエンジニアは、何ヶ月にもわたって NREL の専門家と協力して、銅というかなり扱いにくい材料をどのように動作させるかを考え出しました。 最後に、銅が形成され、人間の髪の毛の幅の約 XNUMX 分の XNUMX の格子状の線が形成されました。
NREL分析顕微鏡監督者のモワファク・アル・ジャシム氏は、企業がより大規模な太陽光発電施設の建設に目を向けているため、高価な部品をより安価な材料で置き換えるこのような取り組みはますます重要になっていると述べた。 SolarReviewsに語った 昨年11月。
XNUMX 月の時点で、TetraSun の銅線セルを搭載したパネルは、実際にお金を払っている顧客の屋上で太陽光線を吸収しています。 同社は商用太陽光発電の大手企業である First Solar に買収され、同社はすぐに屋根用の最初の製品として TetraSun の製品を展開しました。
期待の新星: ペロブスカイト太陽電池
シリコンの研究者が老犬に新しい技を教えようとしているとしたら、ペロブスカイトと呼ばれる新しい太陽素材は、注目を集め、顎を落とす新しいエキゾチックな犬種です。 ペロブスカイト電池（ウラル山脈で発見された鉱物にちなんで命名）は、太陽光発電の世界がこれまでに見たものよりも早く効率チャートを急上昇させています。
ペロブスカイトが太陽電池の半導体として考慮されるようになったのは 2009 年になってからです。 当時、それを実験した日本の科学者は3.8パーセントの効率を記録しました。 先月、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のチームは19.3パーセントと報告した。
ペロブスカイトセルは「かなり長い間研究されてきた色素増感セルのバリエーションです」とクルツ氏は説明し、基本的に固体半導体ウェーハを光吸収有機色素に置き換える新しいクラスのセルについて言及する。 「ちょうど昨年、[研究者ら]はより高い効率を可能にする材料の組み合わせを発見しました。」 それ以来、レースに出場し続けています。
ペロブスカイトの最大の利点は、加工がいかに簡単であるかです。 液体中で成長させることができ、基本的には基材上に印刷できるため、ハイテク研究室から工場に簡単に移管できる、シンプルで安価な太陽電池の製造が可能になります。
問題の XNUMX つは、最高のパフォーマンスを発揮するペロブスカイトセルには鉛が混合されているため、研究室の安全な空間内では機能するかもしれませんが、屋上に置く人は誰もいないということです。 しかし、先月、XNUMXつの別々の研究チームが、ペロブスカイトとスズを混合する初期の実験の有望な結果を発表した。 錫は鉛よりも安全で環境に優しいだけでなく、はるかに安価です。
ノースウェスタン大学の化学者、メルクーリ・カナツィディス氏は、「スズは非常に実現可能な材料であり、我々はこの材料が効率的な太陽電池として実際に機能することを示した」と述べた。 先月の声明 彼のチームの調査結果を発表した。 「スズと鉛は周期表の同じグループに属しているため、同様の結果が期待されます。」
もちろん、ペロブスカイト太陽電池が成功するかどうかは未解決の問題である。 このセルは実際のガラスや金属のモジュールでの実行可能性をまだ証明しておらず、この分野全体が若すぎて、セルが長期にわたってどれだけ耐えられるかを知ることができません。
セルの積み重ねもまた画期的な進歩です
ロジャーズ氏にとって、セルを積層することは、従来の太陽光発電の効率限界を突破する方法です。 ロジャーズ氏によると、太陽電池材料（シリコンや最も一般的な薄膜の形態であるテルル化カドミウムなど）はどれも、太陽の光スペクトルの特定の限られた部分を吸収するのに優れているという。 ただし、それらの波長にのみ調整されるため、すべての基本的な太陽電池には理論上の限界があります。 (結晶シリコンは約 29% であり、この分野ではショックレー クワイサー限界として知られています。)
ロジャースの戦略は、異なる材料を積層し、各層が光スペクトルの異なる部分を拾うことです。「効率を向上させる方法は、太陽から入ってくる光子に関連する全スペクトル範囲にわたって動作する能力を備えた太陽電池を設計することです」 、そしてそれはかなり広い範囲です」とロジャースは言います。
ロジャースの戦略は、異なる素材を積み重ねることです。各層は光スペクトルの異なる部分を拾います。 「緑の環境では非常にうまく機能するが、赤字の環境ではうまく機能しない太陽電池を開発できます。しかし、その後、赤字の環境で効果的に動作するように調整された別の太陽電池を積み重ねることができます。」と彼は説明します。
できあがった半導体スタックは非常に小さく、それぞれが XNUMX ミリメートル四方未満ですが、その上に置かれたガラス パネルにはレンズが含まれており、太陽の光を各スタックに直接集中させます。まるで悪童が虫眼鏡で虫を焼き殺すようなものです。 パネルに当たるあらゆる光は、極小のセルのスタックに当たります。
このマイクロエンジニアリングの偉業は、ひどく単純化しすぎて、異なる基板上に各層を成長させ、目的のセルをエッチングで除去し、セル自体に半導体を「ラバースタンプ」し、それからそれらを 42.5 層の厚さに積層することを必要としますが、実際に機能します。 ロジャースのチームは、研究室で XNUMX% の効率で動作する XNUMX 層セルを発表したばかりです。
ロジャーズ氏は現在、ノースカロライナ州に本拠を置くセンプリウスという会社と協力して、同氏のような多接合セルを現場で使用できるモジュールに組み込んでいる。 さまざまな装備をすべて備えたにもかかわらず、Semprius モジュールは 35% の効率を達成しており、これは「間違いなく最高性能のモジュールです」と Rogers 氏は言います。 「それは近くにもありません。」
これらのモジュールは屋上用ではないため、住宅所有者はおそらく Semprius に注文しないでしょう。 これらは「実用規模の太陽光発電施設に最も適しています。あるいは、工業団地やデータファームに設置されることも想像できます。」 私たちは超低コストの大規模発電について話しています」とロジャーズ氏は言います。
グリッドパリティを達成するのに十分な低コストか? ドイツの太陽光発電大手シーメンスはそう考えている。 同社はセンプリウスへの初期投資家であり、ロジャーズ氏はこのテクノロジーに対する同社の評価を「最も刺激的なもの」と呼んでいる。
「彼らは調べたところ、これは石炭よりも安くなる可能性があると言いました。」
しかし、より良い太陽光発電の追求の性質上、これで話は終わりではありません。研究室に戻ったロジャーズ氏は、いくつかの微調整を加えることで、チームは効率評価を 50 パーセント以上向上させることができるだろうと言いました。 「新たな突破口がなければ、私たちは長い道のりを進むことができます。」
乞うご期待。
この記事はもともとに登場しました Ensia
著者について
Ben Jervey は、気候、エネルギー、環境をカバーするライター兼編集者です。 彼は定期的に次のように書いています ナショナル ジオグラフィック ニュース、 地球上で, DeSmogBlog。 彼は最近、Focus the Nation と協力して、 エナジー 101 プライマー。 自転車愛好家であるベンは、アメリカ全土とヨーロッパの大部分を自転車で横断しました。
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