現在、世界中の大学や研究機関の太陽光発電分野で活発な研究グループが数多く存在しています。この研究は、現在の技術太陽電池を他のエネルギー源と効果的に競争するために安価かつ/またはより効率的にするという3つの分野に分類することができる。新しい太陽電池の建築設計に基づいて新しい技術を開発する。光エネルギーから電流または光吸収剤および電荷担体へのより効率的なエネルギー変換器として機能するための新しい材料の開発が含まれる。

シリコン加工
コストを削減する1つの方法は、十分に純粋なシリコンを得るより安価な方法を開発することである。シリコンは非常に一般的な元素ですが、通常はシリカや珪砂に結合しています。シリコンを製造するためにシリカ(SiO 2)を処理することは、現在の効率では非常に高いエネルギープロセスであり、通常の太陽電池が含有するシリコンを製造するのに使用されたエネルギーを生成するのに1〜2年かかる。よりエネルギー効率の高い合成方法は、太陽電池産業だけでなく、シリコン技術を取り巻く産業全体にも有益です。

現在のシリコンの工業生産は、約1700℃の温度で炭素(木炭)とシリカとの反応によるものである。このプロセスでは、カーボサーミック還元として知られており、約1.5トンの二酸化炭素の排出量で各1トンのシリコン(冶金グレード、純度約98%)が生成される。

固体シリカは、かなり温和な温度(800〜900℃)の溶融塩浴中での電気分解によって純粋なシリコンに直接変換(還元)することができます。この新しいプロセスは原則として1996年後半に最初に発見されたFFCケンブリッジプロセスと同じですが、興味深い研究室所見は、このような電解シリコンは容易に微細な粉末になり、粒径したがって、太陽電池技術の開発のための新たな機会を提供する可能性がある。

もう1つのアプローチは、使用されるシリコンの量を減らすことであり、コストを削減することです。ウェーハを透明な建築用カバーとして使用できる非常に薄い、実質的に透明な層にマイクロマシニングすることです。この技術は、典型的には1〜2mmの厚さのシリコンウェーハをとり、ウェーハ全体に亘って多数の平行な横断スライスを形成し、厚さ50マイクロメータおよび厚さ50ミクロンのスライバを多数形成することを含む。元のウェーハ。これらのスライスを90度回転させることにより、元のウエハの面に対応する面がスライバのエッジとなる。その結果、例えば、側面当たり約175cm 2の露出したシリコン表面積を有する直径150mm、厚さ2mmのウェハを、100mm×2mm×0.1mmの寸法を有する約1000スライバに変換して、合計側面あたり約2000cm 2の露出したシリコン表面積。この回転の結果として、ウエハの面上にあった電気的なドーピングおよびコンタクトは、従来のウエハセルの場合のように前後ではなく、スライバの縁に位置する。これは、細胞の前と後ろの両方から細胞を感受性にする興味深い効果を有する(二重性として知られる特性)。この技術を使用すると、同じパワー出力の従来のモジュールに必要な約60枚のウエハと比較して、1枚のシリコンウエハで140ワットのパネルを構築できます。

ナノ結晶太陽電池
これらの構造は、同じ薄膜光吸収材料のいくつかを利用するが、内部反射を増大させるために非常に高い表面積を有する導電性ポリマーまたはメソポーラス金属酸化物の支持マトリックス上に極めて薄い吸収材としてオーバーレイされる(したがって、の光吸収)。ナノクリスタルを使用することにより、典型的な励起子拡散長であるナノメートルの長さスケールでアーキテクチャを設計することが可能になる。特に、電極間の単一のp-n接合のアレイであり、約拡散長さの間隔で分離された単一ナノ結晶(「チャネル」)デバイスは、太陽電池のための新しいアーキテクチャであり、潜在的に高効率である。

薄膜プロセス
薄膜太陽電池は、ウェーハベースの太陽電池と比較して高価な原料(シリコンまたは他の光吸収体)を1%未満で使用することができ、ワットピーク容量あたりの大幅な価格低下につながります。さまざまな薄膜アプローチや材料を積極的に研究する研究グループが世界中にあります。

1つの特に有望な技術は、ガラス基板上の結晶シリコン薄膜である。この技術は、太陽電池材料(豊富、無毒、高効率、長期安定性)としての結晶シリコンの利点と、薄膜アプローチを使用するコストの節約を組み合わせています。

薄膜太陽電池のもう一つの興味深い面は、フレキシブル基板(例えばPET)を含むあらゆる種類の材料上にセルを堆積させる可能性であり、これは新しい用途の新しい次元を開く。

メタモルフィック多接合太陽電池
2014年12月現在、ソーテック、フランスのCEA-Leti、ドイツのフラウンホーファーISEとの共同作業から開発されたマルチ接合型集光太陽電池を使用することにより、太陽電池効率46%の世界記録が達成されました。

国立再生可能エネルギー研究所(NREL)は、太陽エネルギーを記録効率で変換する超軽量で柔軟なセルであるメタモルフィックマルチ接合太陽電池のR&D誌のR&D 100賞の1つを受賞しました。

超軽量で高効率の太陽電池は、NRELで開発され、アルバカーキのKirtland空軍基地の空軍研究所のスペースビークルディレクターと協力して、ニューメキシコ州アルバカーキのEmcore Corp.によって商業化されています。

これは、性能、エンジニアリング設計、操作およびコストにおいて明確な利点を有する新しいクラスの太陽電池を表す。何十年もの間、従来のセルは、類似の結晶構造を有する半導体材料のウェハを特色としていた。それらの性能およびコスト効果は、直立構成で細胞を増殖させることによって制約される。一方、細胞は硬質で、重く、厚く、底層はゲルマニウムでできています。

新しい方法では、細胞を逆さまにして増殖させる。これらの層は、非常に高品質の結晶を有する高エネルギー材料を使用し、特に、大部分の電力が生成されるセルの上層に使用される。層のすべてが原子間隔の均一な格子パターンに従うわけではない。代わりに、セルには原子間隔の全範囲が含まれているため、太陽光をより吸収して使用することができます。厚く剛性の高いゲルマニウム層が除去され、セルのコストとその重量の94%が削減されます。従来のアプローチを頭の上に置くことで、太陽光エネルギーを記録効率(326太陽濃度の40.8%)で変換する、超軽量で柔軟なセルが実現しました。

ポリマー処理
導電性ポリマー(Alan Heeger、Alan G. MacDiarmidおよびShirakawa Hidekiがノーベル賞を受賞した)の発明は、安価なプラスチックをベースにしたより安価な電池の開発につながる可能性がある。しかしながら、有機太陽電池は、一般に、UV光に暴露されると劣化するので、寿命が短すぎて実行可能ではない。ポリマー中の結合は、より短い波長で放射されると常に分解されやすい。さらに、電荷を有するポリマー中の共役二重結合系は、光および酸素により容易に反応する。したがって、非常に不飽和で反応性の高い導電性ポリマーは、大気中の水分や酸化に非常に敏感であり、商業的用途を困難にしています。

ナノ粒子処理
実験的な非シリコン太陽電池パネルは、量子ヘテロ構造、例えば、導電性ポリマーまたはメソポーラス金属酸化物に埋め込まれたカーボンナノチューブまたは量子ドットである。さらに、従来のシリコン太陽電池上のこれらの材料の多くの薄膜は、シリコンセルへの光結合効率を増加させることができ、それによって全体的な効率を高める。量子ドットのサイズを変えることによって、細胞を異なる波長を吸収するように調整することができる。研究は未だ初期段階ではあるが、量子ドット改質太陽電池は、複数の励起子生成(MEG)に起因して最大42%のエネルギー変換効率を達成することができる可能性がある。

MITの研究者は、太陽電池の効率を1/3に改善するためにウイルスを使用する方法を発見しました。

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透明な導体
多くの新しい太陽電池は、電荷の伝導体でもある透明な薄膜を使用する。現在研究中で使用されている主要な導電性薄膜は、フッ素ドープ酸化スズ(SnO2:F、または「FTO」)、ドープ酸化亜鉛(例えば、ZnO:Al)、およびインジウム錫酸化物(略称「ITO」)である。これらの導電性フィルムは、フラットパネルディスプレイ用のLCD産業においても使用されている。 TCOの二重の機能は、光が基板窓を通って活性光吸収材料の下に通過することを可能にし、また、光吸収材料から光生成電荷キャリアを輸送するためのオーミックコンタクトとしても働く。現在のTCO材料は研究に有効ですが、おそらく大規模な太陽光発電用に最適化されていない可能性があります。それらは高真空で非常に特殊な堆積条件を必要とし、時には機械的強度が不十分であり、スペクトルの赤外線部分の透過率が低い(例えば、ITO薄膜は飛行機窓の赤外線フィルタとしても使用できる)。これらの要因は、大規模製造をより高価にする。

有機太陽電池のための透明導電体としてカーボンナノチューブネットワークを使用して、比較的新しい領域が出現した。ナノチューブネットワークは柔軟性があり、様々な方法で表面に堆積させることができる。何らかの処理をすると、ナノチューブフィルムは赤外線で非常に透明になり、効率的な低バンドギャップ太陽電池が可能になる可能性があります。ナノチューブネットワークはp型導体であるが、従来の透明導体はn型である。 p型透明導電体の利用可能性は、製造を単純化し、効率を改善する新しいセル設計につながる可能性がある。

シリコンウエハベースの太陽電池
新しい材料やエキゾチックな材料を使用してより良い太陽電池を作る試みが数多く行われていますが、太陽電池市場はまだシリコンウェハベースの太陽電池(第1世代の太陽電池)によって支配されています。これは、ほとんどの太陽電池メーカーが、現在、このタイプの太陽電池を製造するために装備されていることを意味しています。その結果、シリコンウェハベースの太陽電池を低コストで製造し、生産コストを大幅に増加させることなく変換効率を向上させるために、世界各地で多くの研究が行われている。ウェーハベースと代替太陽光発電コンセプトの両方の究極の目標は、市場を支配する現在の石炭、天然ガス、原子力に匹敵するコストで太陽エネルギーを生産して主要な主要エネルギー源にすることです。これを達成するためには、設置された太陽光システムのコストを現時点で約1.80ドル(バルクSi技術の場合)からワットピーク電力当たり約0.50ドルに引き下げることが必要な場合があります。従来のバルクシリコンモジュールの最終コストの大部分は、ソーラーグレードのポリシリコン供給原料(約US $ 0.4 / Wattピーク)の高コストに関連するため、Si太陽電池をより薄く(材料節約)するか、より安価にアップグレードされた冶金シリコン(いわゆる「ダーティSi」)からの太陽電池。

IBMは、特殊なパターン除去技術を使用して、半導体ベースの太陽電池パネルをシリコンベースのソーラーパネルを製造するために使用される形態に再利用する半導体ウエハ再生プロセスを実施しています。この新しいプロセスは、最近、国家汚染防止円卓会議(NPPR)の「2007年最も価値のある公害防止賞」を受賞しました。

赤外線太陽電池
アイダホ国立研究所の研究者は、マサチューセッツ州ケンブリッジのLightwave Power Inc.とミズーリ大学のPatrick Pinheroのパートナーとともに、太陽やその他の熱エネルギーを集める数十億個のナノアンテナを含むプラスチックシートを安価に製造する方法を考案しました2007年のNano50賞を2回獲得した。エネルギーを使用可能な電力に変換する方法はまだ開発が必要ですが、ハイブリッド車から伝統的なソーラーより効率の高いコンピュータやiPodに至るまで、シートは軽量の「スキン」として製造することができます細胞。ナノテナーは、日中の太陽からのエネルギーを吸収した後、地球が太陽熱を持続的に放射する中赤外線をターゲットにしています。また、両面ナノテナナシートは、太陽スペクトルの異なる部分からエネルギーを収集することができる。対照的に、伝統的な太陽電池は可視光のみを使用することができ、暗闇の後でアイドルにする。

UV太陽電池
日本の独立行政法人産業技術総合研究所は、紫外光を利用して可視光を透過させる透明太陽電池の開発に成功しました。ほとんどの従来の太陽電池は可視光と赤外光を使用して電気を発生させます。従来の窓ガラスを置き換えるために使用された場合、設置面積が大きくなり、発電、照明、温度制御の複合機能を利用する可能性があります。

この透明なUV吸収システムは、Nbをドープしたチタン酸ストロンチウム基板上に堆積されたp型半導体ポリマーPEDOT:PSS膜からなる有機無機ヘテロ構造を使用することによって達成された。 PEDOT:PSSは、空気中の安定性および水への溶解性のために、薄膜に容易に加工される。これらの太陽電池は、UV領域でのみ活性化され、16%の電子/光子の比較的高い量子収率をもたらす。この技術における今後の研究は、低コストで大面積の製造を達成するために、チタン酸ストロンチウム基板をガラス基板上に堆積されたチタン酸ストロンチウム膜で置き換えることを含む。

それ以来、太陽電池の発電にUV波長を含む他の方法が発見されています。一部の企業では、UV光を可視光に変換する透明コーティングとしてナノ蛍光体を使用していると報告しています。他は、マンガンのような遷移金属でGaNのような広バンドギャップの透明な半導体をドーピングすることによって、単接合光電池の吸収範囲を拡大することを報告している。

フレキシブル太陽電池の研究
フレキシブル太陽電池の研究は研究レベルの技術であり、マサチューセッツ工科大学では、化学気相堆積技術を用いて光触媒を光触媒材料を普通紙のような可撓性基材上に堆積させて製造する。紙に太陽電池を製造する技術は、マサチューセッツ工科大学の研究者グループによって、国立科学財団とEni-MITアライアンスソーラーフロンティアプログラムの支援を受けて開発されました。

3D太陽電池
3次元太陽電池は、光をほとんど全部捕らえ、光起電力システムの効率を高めながら、そのサイズ、重量、機械的複雑さを低減することができます。ジョージア工科大学で作成された新しい3D太陽電池は、都市のストリートグリッドの高層ビルに似た小型の「タワー」構造のアレイを使用して太陽光から光子を取り込みます。 Solar3D、Inc.はこのような3Dセルの商品化を計画していますが、その技術は現在特許出願中です。

発光ソーラーコンセントレータ
発光型太陽光集光器は、太陽光または他の光源を好ましい周波数に変換する。電気のような望ましい形態の電力に変換するための出力を集中させる。それらは、適切なコーティングまたはドーパントで処理された液体、ガラス、またはプラスチックのような媒体中の発光、典型的には蛍光に頼っている。この構造は、大きな入力領域からの出力を小さなコンバータに向けるように構成されており、集中したエネルギーが光電変換を生成する。目的は、低コストで広い領域にわたって光を集めることである。発光集光器パネルはガラスまたはプラスチックのような材料から安価に製造することができるが、光電池は高精度、ハイテク機器であり、したがって大きなサイズで構築するのに高価である。

Radboud University NijmegenやDelft Universityなどの大学で研究が進められています。例えば、マサチューセッツ工科大学の研究者は、電気を生成するために窓を太陽光集光装置に変換する手法を開発してきた。彼らはガラスやプラスチックのペインに染料の混合物を塗る。この染料は太陽光を吸収し、ガラス内の蛍光として再放出し、内部反射によって閉じ込められ、ガラスの端に現れ、そのような濃縮太陽光の変換に最適化された太陽電池に遭遇する。集中係数は約40であり、光学設計は、レンズベースの集光装置とは異なり、太陽に正確に向ける必要はなく、拡散光からも出力を生成することができる太陽集光器をもたらす。コバレントソーラーはプロセスの商業化を進めています。

メタマテリアル
メタマテリアルは、多くの微視的要素が並置された異種材料であり、通常の固体には見られない性質を生じさせる。これらを使用すると、狭い範囲の波長にわたって優れた吸収剤である太陽電池を作ることが可能になる可能性がある。マイクロ波領域における高い吸収が実証されているが、300-1100nmの波長領域にはまだ存在しない。

光起電性サーマルハイブリッド
いくつかのシステムは、太陽電池と熱太陽電池とを組み合わせたものであり、熱太陽電池部品が熱を運び、光電池を冷却するという利点を有する。温度を下げると抵抗が下がり、セル効率が向上します。

Pentaベースの太陽光発電
ペンタセンをベースにした太陽光発電は、エネルギー効率比を95%まで向上させると主張されており、今日の最も効率的な技術の効率を効果的に倍増させている。

中間バンド
太陽電池の研究における中間バンド太陽電池は、セルの効率に対するShockley-Queisserの限界を超える方法を提供します。これは、価電子帯と伝導帯の間に中間バンド(IB)エネルギー準位を導入する。理論的には、IBを導入することにより、バンドギャップよりも小さいエネルギーを有する2つの光子が電子を価電子帯から伝導帯に励起することが可能になる。これにより、誘起された光電流が増加し、効率が向上する。

LuqueとMartiは最初に、詳細なバランスを使用して1つの中間エネルギー準位を持つIBデバイスの理論的限界を導き出しました。彼らは、IBでキャリアが集められなかったこと、およびデバイスが完全に集中していると仮定しました。彼らは価電子帯または伝導帯のいずれかからのIB 0.71eVを用いて1.95eVのバンドギャップに対して63.2%の最大効率を見出した。 1日の照明下では、限界効率は47%である。

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