新しい設計は太陽電池を限界を超えて高めることができる


太陽の毛布 1時間ごとに全世界のエネルギー需要を満たすのに十分な光子を持つ地球。問題はそれらをいかに効率的に電気に変換するかです。小規模の実験室条件下でさえ、世界で最も優れた単一接合型太陽電池 – ほとんどの太陽電池パネルに見られる種類 – は、依然として太陽のエネルギーの29パーセントを捕獲することで最大になります。それは、彼らが太陽の研究者が半世紀前に計算した約3分の1の厳しい限界に恥ずかしがり屋を置く。しかし太陽光発電 – 太陽光が電気に変換されるプロセス – を研究している科学者たちはまた、この限界がかつて見られたほど困難ではないと長い間疑っていました。

Shockley-Queisser限界として知られる太陽電池効率の上限は、測定方法に応じて29〜33%です。これは単接合型セルを想定しています。つまり、1種類の半導体のみを使用して製造されており、直射日光の影響を受けます。限界を超えるために、研究者達はセルが太陽より何百倍も強力な爆風を受けるように光を集めるために複数のタイプの半導体を積み重ねるかレンズを使うことを試みました。今年初め、National Renewable Energy Labは、6ジャンクション太陽電池と太陽光の143倍のビームを使用して、なんと47.1パーセントのエネルギー効率を達成したことで世界記録を樹立しました。

しかし、この技術が大規模に展開されることは決してありません。その理由は、MITの電気工学およびコンピュータサイエンスの教授であるMarc Baldoが、太陽電池パネルとして製造するにはこれらの超高効率多層太陽電池が非常に複雑で高価すぎるためであると述べています。実際に配電網でより多くの太陽エネルギーを得るためには、製造が比較的簡単で安価な単接合のシリコンベースの太陽電池でShockley-Queisserの限界に達する方法を考え出す必要があります。さらに良いのは、上限をさらに引き上げる方法を見つけることです。そして10年の仕事の後、Baldoと彼の同僚はついにその方法を考え出したかもしれません。

先週発表された論文に詳述されているように 自然、 Baldoのチームは、入ってくる光子を効果的に2つに分割する有機分子であるテトラセンの薄層で太陽電池をコーティングしました。このプロセスは励起子分裂として知られており、太陽電池が可視スペクトルの青緑色部分からの高エネルギー光子を使用できることを意味します。

その仕組みは次のとおりです。シリコン太陽電池は、入ってくる光子を用いてシリコンから回路へ電子を打ち込むことによって電流を発生させる。どれくらいのエネルギーが必要ですか?それはそのバンドギャップとして知られている材料の属性に依存します。シリコンのバンドギャップは赤外光子に対応し、電磁スペクトルの可視部分の光子よりもエネルギーが少なくなります。シリコンのバンドギャップの外側の光子は本質的に無駄になります。しかし、ここがテトラセンの登場です。それは、青緑色の光子を2つの「パケット」のエネルギーに分割します。これらはそれぞれ赤外線の光子に相当します。そのため、各赤外光子が自由電子をノックするのではなく、青緑色のスペクトルの単一光子が自由電子をノックすることができます。それは本質的に1つの価格で2つの光子を得ています。

この新しいセルは、太陽光発電の研究におけるよく知られている真実性に対する基本的に新しいアプローチを表しています。もしあなたがShockley-Queisserの限界を超えたいのなら、より広い範囲の太陽光子からエネルギーを捉える必要があります。このセルはその範囲を広げるために異なるバンドギャップを持つ高価な材料のスタックに頼らないので、それは究極的にはもっと実用的かもしれません。 Baldo氏によると、テトラセンを使用すると理論上のエネルギー効率の限界が最大35パーセントまで上昇する可能性があり、これは単接合型電池でこれまで可能であったと考えられていたよりも高い。

テトラセンの追加は概念的には簡単ですが、実装はそれほど簡単ではありませんでした。 Baldo氏によると、その理由は、テトラセンを直接シリコンに付着させると、電荷を消滅させるように相互作用するためです。 Baldoと彼の同僚たちにとっての課題は、エネルギーパケットがテトラセンからシリコンへ流れることを可能にするために2つの材料の間に挟まれることができる材料を見つけることでした。理論的な文献は彼らにほとんど手引きを与えなかった、それでチームは正しいインターフェース材料を見つけるために試行錯誤の長いプロセスに従事した。これは、わずか8原子厚の酸窒化ハフニウムの層であることがわかった。

しかし、このセルはまだ記録を破っていません。その効率はテストで約6%だったので、屋上に表示されるだけでなく、既存のシリコン太陽電池と競合するまでにはまだ長い道のりがあります。しかし、この研究は、太陽電池における励起子核分裂の概念の証明としてのみ意図されていました。セルの効率をより高くするためには、励起子核分裂のためにそれを最適化するためにいくらかのエンジニアリング作業が必要になるだろう、とBaldoは言います。

この意味で、MITチームが実証したものはそれほど競争力のある技術ではなく、既存の太陽光発電の限界を超える新たな取り組みである、とNational Renewable Energy Laboratoryの上級科学者であるJoseph Berryは述べています。 「ここで素晴らしいのは、これが従来の太陽光発電とは根本的に異なるアプローチであるということです」と彼は言います。 「これは長い間存在してきましたが、どんな種類の機能デバイスにも翻訳されていなかったという考えです。」

NRELのBerryらは、多接合型セルの複雑さとコストを追加することなく太陽電池の効率を向上させる他の方法を模索しています。 Berryによって探求されている最も有望な方向の1つはペロブスカイトセルです。そして、それは天然に存在する鉱物ペロブスカイトに類似した構造的性質を持つ合成材料を使います。最初のペロブスカイト型太陽電池は10年前にしか製造されていませんでしたが、それ以来、現在までにあらゆるタイプの太陽電池の中で最も速い効率の向上が見られています。

ペロブスカイト電池は、伝統的なシリコン太陽電池よりも多くの利点を持っています、とBerryは、特に材料欠陥に対するそれらの耐性を言います。シリコン太陽電池上のほんの少しの不要な粒子はそれを役に立たなくすることができますが、ペロブスカイト材料は、たとえそれらが完全でなくても依然としてうまく機能します。それらはまた、シリコンよりも効率的にフォトニックエネルギーを扱う。確かに、シリコンが太陽電池技術を支配した主な理由の1つはそれが仕事のための最高の材料であるという理由ではなく、単に科学者がデジタル技術におけるその広範な使用によりそれについて多くを知っているという理由です。

これまでのところ、これらの次世代太陽電池のどれも商品化への道を見いだしていない。現在稼働中のほとんどすべてのソーラーパネルは、何十年もの間要素に耐えることが証明されている伝統的な単層シリコンセルを使用しています。ペロブスカイトベースのソーラーパネルを現場に投入するには、それらが安定しており、20年以上続くことができることを証明する必要があります。 Berry氏によると、すでに多くの企業が小規模のペロブスカイトパネルを採用しており、今後さらに普及することが期待されています。

将来を見据えて、Berry氏は、MITで開発中の励起子核分裂技術をペロブスカイト型太陽電池と組み合わせて効率を高めることが考えられると述べています。 「これはどちらの提案でもありません」とBerry氏は言いますが、最初の励起子核分裂は実際のアプリケーションにとって十分に効率的であることを証明しなければなりません。最終的には、グリッドに日光が当たるようになるには、それぞれ独自の利点を持つ一連のソーラーテクノロジが必要になります。


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