ソーラーパネルは、再生可能エネルギー探求の永遠の象徴です。家々の屋根の上に、あるいは野原や大草原に沿って配列された黒い窓ガラスの長方形が見られるでしょう。しかし、私たちが知るようになったパネル (5.5 フィート x 2.75 フィート x 2 インチ (1.7 m x 0.8 m x 5 cm)) は歴史的なものかもしれません。それは、太陽光を電力に変換する効率的かつコスト効率の高い方法として、新しいタイプの技術が従来のシリコンウェーハベースのパネルに次ぐ正当な地位を占める準備ができているからです。この技術は薄膜太陽電池 (PV)であり、2010 年までに世界中で 3,700 メガワットの電力を生産する予定です 。
2010 年以降、カリフォルニアからケニア、中国に至るまで、薄膜太陽電池が太陽光発電の商業ビルや住宅に普及し、生産能力はさらに増加するでしょう。
柔軟性以外に、薄膜太陽電池は従来の太陽電池とどう違うのでしょうか?なぜコスト効率が高いのでしょうか?そして、太陽光発電は石炭や原子力発電に代わる本当に実行可能なエネルギー源となるのでしょうか?さらに詳しく知りたい方は読み続けてください。
薄膜太陽電池とは何ですか?
太陽光発電の電卓を使ったことがある人なら、薄膜技術に基づいた太陽電池を見たことがあるでしょう。明らかに、電卓の小さなセルは大きくなく、かさばりません。ほとんどは長さ約 1 インチ (2.5 cm)、幅 4 分の 1 インチ (0.6 cm) で、ウエハースほどの薄さです。セルの薄さがこの技術の特徴です。従来の厚さ 350 ミクロンの光吸収層を持つシリコンウェハ電池とは異なり、薄膜太陽電池の光吸収層の厚さはわずか 1 ミクロンです。参考までに、1 ミクロンは 100 万分の 1 メートル (1/1,000,000 m または 1 μm) です。
薄膜太陽電池メーカーは、コーティングされたガラス、金属、またはプラスチックなどの基板上に光吸収材料である半導体の複数の層を堆積することで太陽電池の構築を開始します。半導体として使用される材料は太陽からのエネルギーを非常に効率的に吸収するため、厚くする必要はありません。その結果、薄膜太陽電池は軽量で耐久性があり、使いやすいものになります。
薄膜太陽電池には、使用される半導体の種類に応じて、アモルファス シリコン (a-Si) 、テルル化カドミウム (CdTe) 、および脱セレン化銅インジウムガリウム (CIGS)の 3 つの主な種類があります。アモルファスシリコンは基本的に、従来のシリコンウェーハセルのトリミング版です。このように、a-Si はよく理解されており、太陽光発電エレクトロニクスで一般的に使用されています。ただし、いくつかの欠点もあります。
a-Si太陽電池の最大の問題の1つは、半導体に使用される材料です。シリコンは市場で見つけるのが必ずしも簡単ではなく、市場では需要が供給を上回ることがよくあります。しかし、a-Si セル自体はそれほど効率的ではありません。太陽にさらされると、出力が大幅に低下します。 a-Si セルを薄くするとこの問題は解決されますが、層が薄くなると太陽光の吸収効率も低下します。これらの特性を総合すると、a-Si セルは電卓などの小規模なアプリケーションには最適ですが、太陽光発電の建物などの大規模なアプリケーションには理想的とは言えません。
非シリコン薄膜太陽光発電技術の有望な進歩により、アモルファスシリコンに関連する問題が克服され始めています。次のページでは、CdTe 薄膜太陽電池と CIGS 薄膜太陽電池を比較して見ていきます。
薄膜太陽電池の構造
構造と機能は太陽電池と密接に関係しているため、太陽電池がどのように機能するかを少し確認してみましょう。薄膜太陽電池の背後にある基本科学は、従来のシリコンウェーハ電池と同じです。
太陽電池は半導体として知られる物質に依存しています。半導体は純粋な形では絶縁体ですが、加熱したり他の材料と結合したりすると電気を通すことができます。リンが混合または「ドープ」された半導体では、過剰な自由電子が発生します。これはn 型半導体として知られています。ホウ素などの他の材料をドープした半導体では、電子を受け入れる空間である「正孔」が過剰に生成されます。これはp 型半導体として知られています。
PV セルは、n 型材料と p 型材料を接合し、その間に接合と呼ばれる層を置きます。光がない場合でも、少数の電子が接合部を通って n 型半導体から p 型半導体に移動し、小さな電圧が生成されます。光が存在すると、光子が大量の電子を追い出し、電子が接合部を横切って流れて電流を生成します。この電流は、電球から携帯電話の充電器まで、電気機器に電力を供給するために使用できます。
従来の太陽電池は、n 型層と p 型層にシリコンを使用します。最新世代の薄膜太陽電池では、代わりにテルル化カドミウム (CdTe) または脱セレン化銅インジウム ガリウム (CIGS) のいずれかの薄層が使用されます。カリフォルニア州サンノゼに拠点を置く企業の 1 つである Nanosolar は、CIGS 材料をナノ粒子を含むインクとして製造する方法を開発しました。ナノ粒子は、少なくとも 1 つの寸法が 100 ナノメートル (10 億分の 1 メートル、または 1/1,000,000,000 m) 未満の粒子です。ナノ粒子として存在する 4 つの元素は均一な分布で自己集合し、元素の原子比が常に正しいことが保証されます。
2 つの非シリコン薄膜太陽電池を構成する層を以下に示します。 CIGS 太陽電池には 2 つの基本構成があることに注意してください。 CIGS-on-glass セルでは、効果的な電極を作成するためにモリブデンの層が必要です。金属箔が電極として機能するため、CIGS オンフォイル セルではこの追加の層は必要ありません。酸化亜鉛 (ZnO) の層は、CIGS セルのもう一方の電極の役割を果たします。間にはさらに 2 つの層、つまり半導体材料と硫化カドミウム (CdS) が挟まれています。これら 2 つの層は、電子の流れを生成するために必要な n 型材料と p 型材料として機能します。
CdTe 太陽電池も同様の構造をしています。一方の電極は銅を注入したカーボンペーストの層から作られ、もう一方の電極は酸化スズ (SnO 2 ) またはスズ酸カドミウム (Cd 2 SnO 4 ) から作られます。この場合の半導体はテルル化カドミウム (CdTe) であり、硫化カドミウム (CdS) とともに、太陽電池が機能するために必要な n 型層と p 型層を作成します。
しかし、薄膜太陽電池の効率は従来の太陽電池とどう違うのでしょうか?シリコンウェーハ電池の理論上の最大効率は約 50% であり、これは電池に到達するエネルギーの半分が電気に変換されることを意味します。実際には、シリコンウェーハセルは平均して 15 ～ 25% の効率を達成します。薄膜太陽電池はようやく競争力を持ち始めています。 CdTe 太陽電池の効率は 15% 強に達していますが、CIGS 太陽電池の効率は 20% に達しています。
薄膜太陽電池でのカドミウムの使用には健康上の懸念があります。カドミウムは水銀と同様、食物連鎖の中で蓄積する可能性がある非常に有毒な物質です。これは、緑の革命の一部であると思い込んでいるテクノロジーにとっては欠点です。国立再生可能エネルギー研究所と他のいくつかの機関や企業は現在、カドミウムフリーの薄膜太陽電池を研究しています。これらのテクノロジーの多くは、カドミウムを必要とするテクノロジーと同じくらい効率的であることが証明されています。
では、こうした次世代太陽電池はどのようにして製造されるのでしょうか?続きを読んで調べてください。
薄膜太陽電池の製造
太陽光発電技術の普及に対する最大の障壁はコストです。従来のシリコンウェーハソーラーパネルは複雑で時間のかかる製造プロセスを必要とするため、ワットあたりの電力コストが上昇します。非シリコン薄膜太陽電池は製造がはるかに簡単であるため、これらの障壁が取り除かれます。
最近の最大の進歩は、CIGS オンフォイル製造によってもたらされました。 Nanosolar は、オフセット印刷に似たプロセスを使用して太陽電池を製造しています。仕組みは次のとおりです。
- アルミ箔の束は、新聞印刷で使用されるものと同様の大型印刷機に通されます。ホイルのロールは、幅が数メートル、長さが数マイルにもなる場合があります。これにより、この製品はさまざまな用途にさらに適応できるようになります。
- 屋外環境で動作するプリンターは、アルミニウム基板上に半導体インクの薄い層を堆積します。これは、真空チャンバー内で半導体を堆積する必要がある CIGS-on-glass または CdTe セルの製造に比べて、大幅な改善です。オープンエア印刷ははるかに速く、はるかに安価です。
- 別のプレスで CdS 層と ZnO 層を堆積します。酸化亜鉛層は無反射性であるため、太陽光が半導体層に確実に到達します。
- 最後に、箔は太陽電池のシートに切断されます。ナノソーラーの製造プロセスでは、従来のシリコンソーラー技術で使用されているものと同様の、分類されたセルの組み立てが可能です。これは、セルの電気特性を適合させて、最高のパネル効率分布と歩留まりを達成できることを意味します。 CIGS オン ガラス ソーラー パネルは、ソートセルのアセンブリを提供していません。これらのパネルは電気的に十分に整合していないセルで構成されているため、歩留まりと効率が大幅に低下します。
半導体印刷で使用される印刷機は、使用とメンテナンスが簡単です。それだけでなく、原材料の無駄もほとんどありません。これにより、プロセスの全体的な効率が向上し、ソーラーパネルによって生成される電気のコストが削減されます。従来のソーラーパネルからの電気料金は1 ワットあたり約 3 ドルです。従来の常識では、太陽光発電はワット当たり 1 ドルで発電できるようになるまでは競争力がないと考えられています。ナノソーラーは、その超効率的な製造プロセスと革新的な半導体インクにより、太陽光から発電するコストをワット当たりわずか 30 セントまで削減できると主張している。それが真実であれば、太陽光発電はついに石炭と競争できるようになるかもしれない。
薄膜太陽技術はSFではありません。ナノソーラーは現在、12か月分の注文を抱えており、対応しようとしている。顧客には世界中の企業や自治体が含まれます。他の薄膜太陽電池メーカーも同様に忙しい。オハイオ州に本拠を置くファースト・ソーラー社は、ジュウィ・ソーラー社と協力してドイツのザクセン州に40メガワットの薄膜CdTe太陽光発電所を建設しており、2009年に完成する予定である。そしてホンダは、ある施設で建物一体型薄膜CIGSの実験を積極的に行っている。日本で。
しかし、薄膜太陽電池がその可能性を最大限に発揮できれば、太陽光発電が太陽光と同じように遍在する未来を想像するのは簡単です。薄膜セルは都市全体の屋根を覆ったり、建物のファサードを形成したりする可能性がある。これらは屋根板に組み込むことができ、建設中のすべての新しい家に簡単に設置できます。そして、それらは新世代のソーラーカーやトラックに電力を供給するのに役立つ可能性があります。
