カリフォルニア州マウンテンビューのウォルマート屋根のソーラーパネル。 Walmart / Flickr、CC BYカリフォルニア州マウンテンビューのウォルマート屋根のソーラーパネル。
ウォルマート/フリッカー, CC BY

途上国が工業化に向かう​​につれて、世界のエネルギー需要は1時間で増加しています。 専門家は、2050年までに世界の電力需要に達すると予測しています 30テラワット (TW)。 遠近法については、1テラワットはおよそ1.3億馬の力に等しい。

太陽からのエネルギーは無限です - 太陽は与えられた瞬間に私たちに120,000 TWの力を与え、それは無料です。 しかし、今日の太陽エネルギーは、 たった1% 世界の電力の 重大な課題は、光エネルギーを使用可能な電気エネルギーに変換するのがより安価であることです。

そのためには、太陽光を吸収して効率的に電気に変換する物質を見つける必要があります。 さらに、これらの材料が豊富で、環境に優しく、ソーラーデバイスの製造に費用対効果の高い材料を求めています。

世界中の研究者は、効率的で手頃な価格の太陽電池技術の開発に取り組んでいます。 目標は、太陽光発電の設置コストをワットあたりUS $ 1以下にすることです。 今日1ワットあたり約$ 3.


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ビンガムトン大学で 自律太陽光発電センター(CASP)自然で豊かで無毒な材料を用いて薄膜太陽電池を製造する方法を検討しています。 私たちは太陽光を電気に変換し、安価に製造するために信頼性が高く、効率的な太陽電池を開発したいと考えています。 私たちは、太陽光吸収材として大きな可能性を秘めている2つの材料を特定しました。黄鉄鉱は金属光沢のために愚か者の金としてよく知られています。 銅 - 亜鉛 - スズ - スルフィド(CZTS)である。

理想的な材料を求めて

今日の商用太陽電池は、ケイ素、テルル化カドミウム(CdTe)、および銅 - インジウム - ガリウム - セレン化物(CIGS)の3つの材料の1つから製造されている。 それぞれに長所と短所があります。

シリコン太陽電池は非常に効率的で、太陽光の25%を電気に変換し、非常に耐久性があります。 しかしながら、シリコンをウェハに加工することは非常に高価である。 そして、これらのウェーハは、(太陽電池にとって厚い0.3ミリメートル程度の)非常に厚くなければならないので、太陽光のすべてを吸収することになり、コストがさらに上昇します。

屋根に慣れ親しんだパネルには、第1世代の太陽電池とも呼ばれるシリコン太陽電池が使用されています。 私たちのセンターでは、次世代のソーラー技術である薄膜太陽電池と呼ばれる別のタイプの研究を進めています。 その名前が示唆するように、薄膜太陽電池は、典型的には可撓性であることができるガラスまたはプラスチックのような基板上に太陽吸収材料の薄い層を置くことによって作られる。

これらの太陽電池は材料の使用量が少ないため、シリコン製の結晶太陽電池より安価です。 結晶シリコンを可撓性基板上にコートすることは不可能であるため、太陽光吸収材として使用するには異なる材料が必要です。

薄膜太陽電池技術は急速に向上していますが、今日の薄膜太陽電池の材料のいくつかは希少で危険です。 例えば、CdTeのカドミウムはすべての生物に非常に有毒であり、ヒトに癌を引き起こすことが知られている。 CdTeは、高温(例えば、実験室または家屋内)でカドミウムとテルルに分離することがあり、重大な吸入の危険性がある。

彼らは無毒で非常に安価なので、私たちはpyriteとCZTSと一緒に働いています。 CZTSのワットあたりの0.005セント、および黄鉄鉱コスト 1ワットあたりの0.000002セント。 彼らはまた、地球の地殻で最も豊富に存在する材料の一つであり、太陽光の可視スペクトルを効率的に吸収します。 これらのフィルムは、ミリメートルの1 / 1000thのように薄くすることができます。

擬似太陽光下でのCZTS太陽電池のテスト。 タラ・ダカル/ビンガムトン大学、著者提供 擬似太陽光下でのCZTS太陽電池のテスト。
タラ・ダカル/ビンガムトン大学、著者提供
これらの材料を結晶化して太陽電池にする必要があります。 これは加熱することによって行われます。 CZTSは、600摂氏以下の温度で結晶化するが、これはシリコンの1,200摂氏以上であるため、処理するのがより安価になる。 これは現在市販されている高効率銅インジウムガリウムセレン化物(CIGS)太陽電池とよく似ていますが、これらのセルのインジウムとガリウムは安価で豊富な亜鉛とスズで置き換えられます。

しかし、これまでのところ、CZTS太陽電池は比較的非効率的である。 13パーセント より高価なCIGS太陽電池の20%と比較して、太陽光のエネルギーは電気に当たる。

私たちは、CZTS太陽電池が30%の効率を持つ可能性があることを知っています。 主な課題は、不純物の痕跡を残さずに高品質のCZTS薄膜を合成する1)とその下の「バッファー」層に適した材料を見つけることで、吸収体層に太陽光が生成する電荷を集めるのに役立ちます。 私たちの研究室では、 7%の効率; 我々は高品質のCZTS層を合成し、適切なバッファ層を見つけることによって、15効率にすぐに近づくことを望んでいます。

CZTS太陽電池の構造。 タラ・ダカル/ビンガムトン大学、著者提供CZTS太陽電池の構造。
タラ・ダカル/ビンガムトン大学、著者提供
パイライトは、非常に低い温度で合成することができる別の潜在的な吸収剤である。 私たちの研究室では、黄鉄鉱薄膜を合成しました。現在、これらの膜を太陽電池に重ね合わせる作業を行っています。 このプロセスは熱と湿気にさらされたときに黄鉄鉱が容易に破壊されるので困難です。 私たちは、太陽の吸収性と機械的性質に影響を与えずに、より安定させる方法を研究しています。 この問題を解決できれば、「愚か者の金」はスマートな太陽光発電装置に変わる可能性があります。

最近の研究では、スタンフォード大学とカリフォルニア大学バークレー校の研究者は、太陽光発電が 最大45パーセント 2050の米国電力の その目標を達成するためには、太陽光発電のコストを引き下げ、太陽電池をより持続可能なものにする方法を見つける必要があります。 太陽光発電の可能性を実現するためには、豊富で無毒な材料が重要だと考えています。

著者について

ダカルタラTara P. Dhakal、ニューヨーク州立大学ビンガムトン大学電気電子工学科助教授。 彼の研究関心は再生可能エネルギー、特に太陽エネルギーである。 彼の研究目標は、環境に優しく経済的に手頃な太陽電池技術を達成することです。

この記事は、最初に公開された 会話。 読む 原著.

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