これまでに発明された中で最も効率的な太陽電池です。エネルギー変換効率は47.1%を超える

5月 10, 2023

最近、米国の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、最大エネルギー変換効率47.1％という世界で最も効率的な太陽電池を開発しました。これらの効率記録はしばしば破られますが、変換効率 47.1% の太陽電池は、現時点では世界で最も効率的な太陽電池と言えます。最新の研究結果は4月13日、Nature Energyに掲載された。

太陽電池は変換効率の向上に向けて進歩を続けており、材料を正しく組み合わせることで、太陽光を電気に変換する太陽電池の能力を高めることができます。 NRELの高効率結晶太陽電池チームの主任科学者であるジョン・ガイズ氏は、「この新しいデバイスは、多接合太陽電池の大きな可能性を実証している」と述べた。

多接合太陽電池は、高効率太陽電池の一種です。各セルには分子線エピタキシーまたは有機金属化学蒸着によって作られた複数の薄膜があり、異なる特性バンドギャップを持つこれらの異なる半導体は、スペクトル内の特定の周波数の電磁波からのエネルギーを吸収できます。

これまでの研究では、シリコンが太陽電池効率のゴールドスタンダードであることが証明されており、シリコンのみを使用した単接合太陽電池の効率は現在 33% という最高の効率を持っています。 33% という効率の制限は、材料を変更し、より多くの節点を追加し、2 つのノード間に一連のエンジニアリング技術を導入することで突破できます。たとえば、一部の 3 接合太陽電池の変換効率は、太陽光が集中した状態では 45% を超える場合があります。

NRELが新たに開発した太陽電池はIII-V型6接合構造で、「III-V」とは周期表上の光吸収元素の位置を指し、III-V族材料は広範囲の光吸収を有する。特徴。セル内の 6 つの接続ポイントはそれぞれ特別に設計されており、太陽スペクトルの特定の部分からの光を捕捉できる 6 つの異なるタイプの光活性層で構成されています。

最新のエンジニアリングとナノテクノロジーにより、このデバイスには、これらの接続ポイントのパフォーマンスをサポートするために、合計約 140 層の異なる III-V 材料層が含まれていますが、その幅は人間の髪の毛のわずか 3 分の 1 です。

この III-V 型 6 接合太陽電池の性能を調査するために、NERL の科学者は、自然太陽光の強度の 143 倍である集中光でそれをテストしました。テストの結果、同社の新しい太陽電池は集中光下で47.1%という記録的な変換効率を示した。

テストは集中光の下で行われたため、実際の使用で達成される効率よりも低い効率に相当するが、研究チームは、太陽光をセルに集中させるデバイスは反射板を使用して構築できると述べた。研究チームはこの新しいタイプのセルを通常の太陽光にさらしてテストしたところ、変換効率は依然として 39.2% に達しました。 39.2% の変換効率は目立ったものではないように思えるかもしれませんが、太陽光の下での変換効率では新世界記録を樹立しました。

NREL の John Geisz 氏によると、効率の 50% 限界を突破するには、太陽電池内の電流の流れを妨げる内部抵抗を減らすことが主な障害となります。

この研究の重要性は、通常の太陽光と集中光での変換効率の違いが、これらの6接合III-V型太陽電池を経済的に展開する方法の存在の可能性を示していることです。比較的低コストの新しい太陽電池に光を集中させるミラーを使用することで、この技術の使用コストを大幅に削減することが可能です。集中化により、使用される半導体の数は減ります。同時に、太陽光を集中させることでセルの効率も向上させることができます。

多接合セルの共同開発者の一人でNRELの科学者でもあるライアン・フランス氏によると、太陽電池の潜在効率が50%を超える可能性は高いという。実際、同じ効果を達成するには、最終的には元の半導体材料の数倍、または NREL 研究で使用された材料と比較して 1/1000 しか必要としない可能性があります。そうすれば、誰でも太陽光発電をより手頃な価格で利用できるようになります。

さらに、この太陽電池技術の進歩は、高効率の太陽電池を宇宙船の電力供給に使用できる航空宇宙などの他の産業にもプラスの影響を与える可能性があります。

全体として、NREL による世界で最も効率的な太陽電池の開発は、再生可能エネルギー業界における重要な前進です。効率限界の 50% を超える可能性があるため、太陽エネルギーの未来はこれまで以上に明るく見えます。

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