太陽電池の種類についての簡単な説明

かつて太陽エネルギーは、先進的な宇宙船や一部の高度な機器に限られたものでしたが、もはやそうではありません。過去10年間で、太陽エネルギーはニッチなエネルギー源から、世界のエネルギー市場の主要な柱へと変貌を遂げました。

地球は継続的に約 173,000TW の太陽放射にさらされており、これは世界の平均電力需要の 10 倍を超えています。

[1] これは太陽エネルギーが私たちのエネルギー需要のすべてを満たす能力を持っていることを意味します。

2023年上半期、太陽光発電は米国の総発電量の5.77%を占め、2022年の4.95%から増加しました。

[2] 化石燃料（主に天然ガスと石炭）は2022年に米国の発電量の60.4％を占めることになるが、

[3] しかし、太陽エネルギーの影響力の拡大と太陽エネルギー技術の急速な発展は注目に値する。

 

太陽電池の種類

 

現在、市場に出回っている太陽電池（光起電性（PV）セルとも呼ばれる）には、結晶型、薄膜型、そして新興技術型の3つの主要なカテゴリーがあります。これら3種類のバッテリーは、効率、コスト、寿命の点でそれぞれ独自の利点を持っています。

 

01 クリスタル

家庭用屋根置き型ソーラーパネルのほとんどは、高純度単結晶シリコンで作られています。このタイプのバッテリーは、近年、26%以上の効率と30年以上の耐用年数を達成しています。

[4] 現在の家庭用ソーラーパネルの効率は約22％です。

 

多結晶シリコンは単結晶シリコンよりも安価ですが、効率が低く、寿命も短くなります。効率が低いということは、より多くのパネルとより広い面積が必要になることを意味します。

 

太陽電池多接合ガリウムヒ素（GaAs）技術に基づく太陽電池は、従来の太陽電池よりも効率が高い。これらのセルは多層構造で、各層にはインジウムガリウムリン（GaInP）、インジウムガリウムヒ素（InGaAs）、ゲルマニウム（Ge）などの異なる材料が用いられ、異なる波長の太陽光を吸収する。これらの多接合セルは高い効率が期待されているものの、製造コストの高さと研究開発の未成熟さが、商業化と実用化の妨げとなっている。

 

02フィルム

世界市場における薄膜太陽光発電製品の主流は、テルル化カドミウム（CdTe）太陽電池モジュールです。世界中で数百万枚のモジュールが設置されており、ピーク発電容量は30GWを超えています。主に米国の大規模発電に使用されています。

 

この薄膜技術により、1平方メートルの太陽電池モジュールに含まれるカドミウムの量は、単4形ニッケルカドミウム（Ni-Cd）電池よりも少なくなります。さらに、太陽電池モジュールに含まれるカドミウムはテルルと結合しており、テルルは水に不溶で、1,200℃という高温でも安定しています。これらの要因により、薄膜電池にテルル化カドミウムを使用することで生じる毒性リスクが軽減されます。

 

地殻中のテルル含有量はわずか0.001ppmです。プラチナが希少元素であるのと同様に、テルルの希少性はテルル化カドミウムモジュールのコストに大きな影響を与える可能性があります。しかし、この問題はリサイクルの取り組みによって軽減することが可能です。

テルル化カドミウムモジュールの効率は18.6％に達し、実験室環境でのバッテリー効率は22％を超えることができます。[5] 長い間使用されてきた銅ドーピングの代わりにヒ素ドーピングを使用すると、モジュールの寿命が大幅に向上し、水晶電池に匹敵するレベルに到達できます。

 

03新興技術

 

超薄膜（1ミクロン未満）と直接堆積技術を用いた新興の太陽光発電技術は、製造コストを削減し、太陽電池用の高品質半導体を提供します。これらの技術は、シリコン、テルル化カドミウム、ガリウムヒ素などの既存材料の競合となることが期待されています。

 

[6]この分野では、銅亜鉛スズ硫化物（Cu2ZnSnS4またはCZTS）、リン化亜鉛（Zn3P2）、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）という3つのよく知られた薄膜技術があります。実験室環境では、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）太陽電池は22.4%という驚異的なピーク効率を達成しています。しかし、このレベルの効率を商業規模で再現することは依然として課題となっています。

[7]ハロゲン化鉛ペロブスカイト薄膜太陽電池は、魅力的な新興太陽光発電技術です。ペロブスカイトは、化学式ABX3で表される典型的な結晶構造を持つ物質の一種で、黄色、茶色、または黒色の鉱物であり、主成分はチタン酸カルシウム（CaTiO3）です。英国のオックスフォードPV社が製造した商業規模のシリコン系ペロブスカイトタンデム太陽電池は、28.6%という記録的な変換効率を達成し、今年中に生産開始される予定です。

[8]ペロブスカイト太陽電池はわずか数年で、既存のテルル化カドミウム薄膜太陽電池と同等の効率を達成しました。ペロブスカイト電池の初期の研究開発においては、寿命が大きな問題であり、数ヶ月単位でしか計算できないほど短かったです。

現在、ペロブスカイト太陽電池の耐用年数は25年以上です。ペロブスカイト太陽電池の利点は、高い変換効率（25%以上）、低い製造コスト、そして製造プロセスに必要な低温です。

 

建物一体型太陽光パネル

 

一部の太陽電池は、太陽光スペクトルの一部のみを捉え、可視光は透過させるように設計されています。これらの透明なセルは色素増感太陽電池（DSC）と呼ばれ、1991年にスイスで誕生しました。近年の新たな研究開発成果により、DSCの効率は向上しており、これらの太陽電池パネルが市場に投入される日もそう遠くないかもしれません。

 

いくつかの企業は、ガラスのポリカーボネート層に無機ナノ粒子を注入しています。この技術では、ナノ粒子がスペクトルの特定の部分をガラスの端にシフトさせ、スペクトルの大部分を透過させます。ガラスの端に集光された光は、太陽電池によって利用されます。さらに、ペロブスカイト薄膜材料を透明なソーラーウィンドウや建物の外壁に適用する技術も現在研究されています。

 

太陽エネルギーに必要な原材料

太陽光発電の増加に伴い、シリコン、銀、銅、アルミニウムといった重要な原材料の採掘需要が増加します。米国エネルギー省によると、世界の冶金グレードシリコン（MGS）の約12%が、太陽光パネル用のポリシリコンに加工されています。

 

中国はこの分野の主要国であり、2020年には世界のMGSの約70％とポリシリコン供給の77％を生産しました。

 

シリコンをポリシリコンに変換するプロセスには非常に高温が必要です。中国では、これらのプロセスに必要なエネルギーは主に石炭から供給されています。新疆ウイグル自治区は豊富な石炭資源と低い電力コストに恵まれており、同自治区のポリシリコン生産量は世界生産量の45%を占めています。

 

[12]太陽光パネルの製造には世界の銀の約10%が消費されています。銀の採掘は主にメキシコ、中国、ペルー、チリ、オーストラリア、ロシア、ポーランドで行われており、重金属汚染や地元住民の強制移住などの問題を引き起こす可能性があります。

 

銅とアルミニウムの採掘もまた、土地利用上の課題を引き起こしています。米国地質調査所によると、チリは世界の銅生産量の27%を占め、次いでペルー（10%）、中国（8%）、コンゴ民主共和国（8%）となっています。国際エネルギー機関（IEA）は、2050年までに世界の再生可能エネルギー利用が100%に達した場合、太陽光発電プロジェクトからの銅需要はほぼ3倍になると予測しています。

[13]結論

 

太陽エネルギーはいつか私たちの主要なエネルギー源になるのでしょうか？太陽エネルギーの価格は低下し、効率も向上しています。現在、太陽光発電技術には様々な選択肢があります。では、いつになったら1つか2つの技術が見出され、実際に機能するようになるのでしょうか？太陽エネルギーを電力網に統合するにはどうすればよいでしょうか？

 

太陽エネルギーが特殊用途から主流へと進化したことは、私たちのエネルギー需要を満たし、さらにそれを上回る可能性を秘めていることを浮き彫りにしています。現在、結晶太陽電池が市場を支配していますが、薄膜技術の進歩や、テルル化カドミウムやペロブスカイトといった新興技術が、より効率的で統合された太陽光発電アプリケーションへの道を切り開いています。太陽エネルギーは、原材料採掘による環境への影響や生産におけるボトルネックなど、依然として多くの課題に直面していますが、急成長を遂げ、革新的で将来有望な産業です。

 

技術の進歩と持続可能な慣行の適切なバランスにより、太陽エネルギーの成長と発展は、よりクリーンで豊かなエネルギーの未来への道を切り開くでしょう。そのため、太陽エネルギーは米国のエネルギーミックスにおいて大きな成長を示し、世界的な持続可能なソリューションとなることが期待されています。