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太陽電池の種類についての簡単な説明
太陽エネルギーはかつては先進的な宇宙船やいくつかの派手な機器の宝庫でしたが、今は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情勢の主要な柱に変わりました。
地球は継続的に約 173,000 TW 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 倍以上です。
[1] これは、太陽エネルギーが私たちのエネルギー需要をすべて満たす能力があることを意味します。
2023年上半期、米国の総発電量に占める太陽光発電の割合は5.77％となり、2022年の4.95％から増加した。
[2] 2022 年には化石燃料 (主に天然ガスと石炭) が米国の発電量の 60.4% を占めることになりますが、
[3] しかし、太陽エネルギーの影響力の増大と太陽エネルギー技術の急速な発展は注目に値します。
現在、市場には、結晶セル、薄膜セル、および新興技術という 3 つの主要なカテゴリの太陽電池 (光起電力 (PV) セルとも呼ばれます) があります。 これら 3 種類のバッテリーには、効率、コスト、寿命の点で独自の利点があります。
01 クリスタル
ほとんどの家庭用屋上ソーラーパネルは高純度の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 年以上の寿命を達成しています。
[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コストが安くなりますが、効率が低く、寿命も短くなります。 効率が低下すると、より多くのパネルとより多くの面積が必要になります。
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的です。 これらのセルは多層構造をしており、各層はインジウム 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) などの異なる材料を使用して、太陽光の異なる波長を吸収します。 これらの多接合セルは高効率の達成が期待されていますが、依然として製造コストが高く、研究開発が未熟であるため、商業的な実現可能性と実用化が制限されています。
02フィルム
世界市場における薄膜太陽電池製品の主流は、テルル化カドミウム (CdTe) 太陽電池モジュールです。 このようなモジュールは世界中で数百万台設置されており、ピーク時の発電容量は30GWを超えています。 これらは主に米国の事業規模の発電に使用されています。 工場。
この薄膜技術では、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 サイズの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内のカドミウムはテルルと結合します。テルルは水に不溶で、1,200℃もの高温でも安定です。 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による有毒な危険が軽減されます。
地殻中のテルルの含有量はわずか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。 ただし、リサイクルを実践することでこの問題を軽減することは可能です。
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% を超えることがあります。 [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達することができます。
03先端技術
超薄膜 (1 ミクロン未満) と直接蒸着技術を使用した新興の太陽光発電技術により、生産コストが削減され、太陽電池用の高品質の半導体が提供されます。 これらの技術は、シリコン、テルル化カドミウム、ヒ化ガリウムなどの確立された材料の競合となると予想されます。
[6] この分野には、銅亜鉛錫硫化物 (Cu2ZnSnS4 または CZTS)、リン化亜鉛 (Zn3P2)、および単層カーボン ナノチューブ (SWCNT) の 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、セレン化銅インジウムガリウム (CIGS) 太陽電池は 22.4% という素晴らしいピーク効率に達しました。 しかし、このような効率レベルを商業規模で再現することは依然として課題です。
[7]ハロゲン化鉛ペロブスカイト薄膜電池は、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の典型的な結晶構造を持つ物質の一種です。 チタン酸カルシウム（CaTiO3）を主成分とする黄色、褐色、黒色の鉱物です。 英国の企業オックスフォードPVが製造する商業規模のシリコンベースのペロブスカイトタンデム太陽電池は、28.6%という記録的な効率を達成し、今年生産が開始される予定である。
[8] わずか数年で、ペロブスカイト太陽電池は既存のテルル化カドミウム薄膜電池と同様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では、寿命は数カ月でしか計算できないほど短かったことが大きな問題でした。
現在、ペロブスカイトセルの耐用年数は 25 年以上です。 現在、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、および製造プロセスに必要な温度が低いことです。
統合型太陽光パネルの構築
一部の太陽電池は、可視光を通過させながら、太陽スペクトルの一部のみを捕捉す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。近年の新しい研究開発の結果により DSC の効率が向上しており、これらの太陽電池パネルが市場に投入されるのもそう遠くないかもしれません。
一部の企業は、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。 この技術のナノ粒子はスペクトルの特定の部分をガラスの端に移動させ、スペクトルの大部分を通過させます。 ガラスの端に集中した光は太陽電池によって利用されます。 また、ペロブスカイト薄膜材料を透明な太陽窓や建物の外壁に応用する技術も研究されています。
太陽エネルギーに必要な原料
太陽光発電を増やすためには、シリコン、銀、銅、アルミニウムなどの重要な原材料の採掘需要が増加します。 米国エネルギー省は、世界の冶金級シリコン (MGS) の約 12% が太陽電池パネル用のポリシリコンに加工されていると述べています。
中国はこの分野の主要なプレーヤーであり、2020年には世界のMGSの約70％とポリシリコン供給量の77％を生産している。
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い温度が必要です。 中国では、これらのプロセスのエネルギーは主に石炭から供給されています。 新疆は石炭資源が豊富で電気代が安く、ポリシリコンの生産量は世界生産量の45％を占める。
[12] ソーラー パネルの生産には、世界の銀の約 10% が消費されます。 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、重金属汚染や地元コミュニティの強制移転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土地利用の課題を引き起こします。 米国地質調査所によると、チリが世界の銅生産量の27％を占め、次いでペルー（10％）、中国（8％）、コンゴ民主共和国（8％）となっている。 国際エネルギー機関（IEA）は、世界の再生可能エネルギー利用が2050年までに100％に達すれば、太陽光発電プロジェクトによる銅の需要はほぼ3倍になると考えている。
[13]結論
太陽エネルギーはいつか私たちの主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、効率は向上しています。 それまでの間、さまざまな太陽光発電技術のルートから選択できます。 1 つまたは 2 つのテクノロジを特定し、実際に機能させるのはいつになるでしょうか? 太陽エネルギーをグリッドに統合するにはどうすればよいですか?
太陽エネルギーは専門分野から主流分野への進化によって、私たちのエネルギーニーズを満たし、それを超える可能性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などの新興技術により、より効率的で統合された太陽電池アプリケーションへの道が開かれています。 太陽エネルギーは、原料採掘による環境への影響や生産のボトルネックなど、依然として多くの課題に直面していますが、結局のところ、急速に成長している革新的で有望な産業です。
技術の進歩と持続可能な実践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、よりクリーンでより豊かなエネルギーの未来への道を切り開くでしょう。 このため、米国のエネルギーミックスにおいて大幅な成長を示し、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。