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エミリー-カーによる
Abagail Burrusによる数字

太陽は、人間のエネルギー需要全体を満たすために、毎秒十分 それが容易に利用可能で再生可能であることを考えると、太陽光発電は魅力的なエネルギー源です。 しかし、2018年の時点で、世界のエネルギーの2％未満が太陽光から来ています。 歴史的に、太陽エネルギーの収穫は高価で、比較的非効率的でした。 しかし、この貧弱な太陽エネルギーの使用量でさえ、世界的に太陽エネルギーから収集される電力量が300から2000に2019倍に増加したため、過去20年間で改善されています。 新しい技術の進歩は、コストを削減することによって、太陽へのこの増加した依存を駆動しており、新しい技術開発は、さらにコストを削減し、ソーラーパネ

太陽電池: コスト、課題、設計

過去20年間で、光エネルギーを電気に変換することができる構造体である太陽電池に関連するコストは着実に減少しています。 太陽電池技術を研究する米国政府の研究室であるNational Renewable Energy Laboratoryは、太陽電池の手頃な価格の向上に貢献していると推定しています。 彼らは、ハードコスト、物理的な太陽電池ハードウェアのコスト、および必要な政府の許可を得るための労働やコストを含むソフトコストは、ほぼ同等であると推定している（図1）。 新しい太陽電池のためのより多くの潜在的な消費者そしてより多くの設置専門家があるので柔らかい費用は減りました、従って会社は大きさの太陽電池を作り、容易に取付けることができます。 ハードコストは、主に材料コストの減少と光を捕捉する細胞の能力の増加のために、2000年にあったものの半分以下です。 より費用効果が大きく、有効な太陽電池を設計することは革新的な設計に加えて太陽捕獲にかかわる物理学の注意深い考察を要求した。

太陽電池は光を電気に変換するために使用されるため、光からエネルギーを取り込むのに適した材料で構成する必要があります。 この材料は、家庭の照明や工場の機械のように、光エネルギーから得られた電気を必要な場所に運ぶ2つの金属板の間に挟むことができます（図2）。 光を捕捉するための適切な材料を選択するには、価電子帯と伝導帯と呼ばれる2つのエネルギー準位の差を測定する必要があります。 低エネルギーの価電子帯は電子と呼ばれる多くの小さな負に荷電した粒子で満たされていますが、高エネルギーの伝導帯はほとんど空です。 電子が光子と呼ばれる光の粒子に当たると、低エネルギー伝導帯から高エネルギー価電子帯にジャンプするのに十分なエネルギーを吸収することがで 価電子帯に入ると、電子の余分なエネルギーを電気として回収することができます。 まるで電子が丘の底（伝導帯）に座っていて、彼らに上（価電子帯）に跳躍するエネルギーを与える光子に当たっているかのようです。

電子が価電子帯に飛び込むのに必要なエネルギーの量は、材料の種類によって異なります。 基本的に、比喩的な丘の大きさは、与えられた材料の特性に基づいて変化する。 このエネルギーギャップの大きさは、太陽電池が光を電気にどのように効率的に変換するかに影響を与えるため、重要です。 具体的には、電子が価電子帯から伝導帯にジャンプする必要があるよりも少ないエネルギーで光子が電子に当たった場合、光のエネルギーは捕捉され あるいは、光がそのギャップを克服するために必要とされるよりも多くのエネルギーを持っている場合、電子はそれが必要とする正確なエネルギーを これらのシナリオの両方は、太陽電池材料の選択を重要なものにする、太陽収穫の非効率性につながります。

歴史的に、シリコンは太陽電池のための最も人気のある材料でした（図2）。 この人気の理由の一つは、ほとんどの光粒子のエネルギーは、エネルギーギャップをジャンプするためにシリコンの電子が必要とするエネルギーに非常に近いため、シリコンの伝導帯と価電子帯の間のギャップの大きさにある。 理論的には、光エネルギーの約32％は、シリコン太陽電池で電気エネルギーに変換することができます。 これは多くのようには思えないかもしれませんが、他のほとんどの材料よりもはるかに効率的です。 さらに、シリコンも安価である。 それは地球上で最も豊富な元素の一つであり、それを精製するコストは1980年以来劇的に減少しています。 太陽電池および電子産業は太陽電池および家電の要求を運転するためによりよいバルク浄化の技術を学んだので浄化の費用の減少を運転した。

材料コストの削減に加えて、巧妙なエンジニアリングトリックは、シリコン太陽電池の効率を理論上の最大値に近づけるようにしています。 光子がエネルギーに変換されるためには、最初に電子と衝突しなければならない。 光子/電子衝突の可能性を高めるための一つのトリックは、微視的なピラミッド形状の太陽電池内のシリコンをパターニングすることを含む。 光がピラミッドに吸収されると、それはさらに移動し、光がセルを脱出する前にシリコン内の電子と衝突する確率を増加させる。

同様の戦術で、化学者と材料科学者は、太陽電池の電子に当たらずに有用な光が宇宙に反射されるのを防ぐために、太陽電池の前面に置く反射防止コーテ 同様に、太陽電池の背面に反射器を置くことはまた、より多くの光を収穫することを可能にする。 太陽電池に到達し、電子を打つことなく背中に至るまでの光は、細胞の前面に跳ね返され、細胞に光を集める別のチャンスを与えます。

現在、シリコン系太陽電池のコストは減少し続けており、逆の予測にもかかわらず、シリコン自体のコストは減少し続けています。 シリコン太陽電池は、今後数年間人気を維持する可能性があります。 シリコン太陽電池の代替品が開発されていますが、商業的に実行可能であるには十分ではありません。

太陽電池の未来

現在の太陽電池を上回るためには、新しい設計は、より多くの光を捕捉し、光エネルギーをより効率的に電気に変換し、かつ/または現在の設計よりも安価に構築することができる必要があります。 エネルギー生産者と消費者は、それが生成するエネルギーが他の、しばしば再生不可能な形態の電気よりも同等または安価である場合、太陽光発電を採用

最初の選択肢は、太陽電池がより多くの光を取り込むことを可能にするハードウェアを追加することですが、実際には現在の太陽電池設計を放棄す 電子工学は昼間の空を通って動くと同時に細胞が太陽を追跡するようにする太陽電池と取付けることができます。 太陽電池が常に太陽を指している場合、それは正午の周りに太陽に向かって指していた場合よりも多くの光子に見舞われます。 現在、太陽の位置を正確かつ一貫して数十年にわたって合理的なコストで追跡できる電子機器を設計することは進行中の課題ですが、この面での 太陽電池自体を動かすことへの代わりはより小さく、従ってより安い太陽電池にライトを集中するのにミラーを使用することである。

太陽電池の性能を向上させるもう一つのルートは、太陽光のエネルギーを電気に変換するのに優れているように、その効率を目標とすることです。 光捕捉材料の複数の層を有する太陽電池は、単層のみを有する太陽電池よりも多くの光子を捕捉することができる。 最近、4つの層を持つ実験室でテストされた太陽電池は、それらに当たった入ってくる光エネルギーの46％を捕捉することができます。 これらの細胞は依然として高価であり、商業的に使用することは困難ですが、進行中の研究はいつかこれらの超効率的な細胞を実現することを可

太陽電池の効率を向上させる代わりに、単にコストを削減することです。 処理シリコンは、過去数十年にわたって安価になっているにもかかわらず、それはまだ太陽電池の設置のコストに大きく貢献しています。 より薄い太陽電池を使用することにより、材料コストが削減されます。 これらの”薄膜太陽電池”は、材料の層を使用して、従来の太陽電池を作るために使用されているものの約1％の厚さのわずか2-8マイクロメートルの光エネル 多くの複数の層を持つセルのように、薄膜太陽電池は、そのアプリケーションを制限し、製造するために少しトリッキーですが、研究が進行中です。

近い将来、シリコン太陽電池はコストの低下を続け、大量に設置される可能性があります。 米国では、これらのコスト削減は、少なくとも700％によって2050年に生産される太陽光発電を増加させると予想されています。 一方、より効率的で安価な太陽電池のための代替設計の研究は継続されます。 今から数年後、私たちは、クリーンで再生可能なエネルギー源を提供するのに役立つ、私たちの太陽農場や屋根に現れるシリコンの代替品を見る可能性が これらの改善は、太陽電池のバルク製造とセルをより安く、より効率的にする新しい技術を増加させることによって可能になり続けています。

エミリー-カー、化学およびケミカルバイオロジーの大学院生。

Abagail Burrusは、elaiophoreの発達を研究する3年目の生物学および進化生物学の博士課程の学生です。

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• 薄膜太陽電池の詳細については、MIT News
• からこの記事をチェックしてください太陽電池のコスト削減の詳細については、MIT News
• からこの記事を参照してください太陽電池パネルがどのように機能するかのグラフィカルな描写については、太陽電池パネルの組成と科学

この記事は、私たちのSITN20シリーズの一部です。最後の二十年の最も注目すべき科学的進歩を記念することによってsitnの20周年を祝うために書かれました。 私達の他のSITN20部分を点検しなさい!