A 太陽電池 太陽光を直接電気エネルギーに変換する装置です。この変換は、半導体材料、通常はシリコンの光起電力効果を利用することによって達成されます。太陽電池は再生可能エネルギー技術の重要なコンポーネントであり、太陽光発電システムで広く使用されています。
次の記事では、その歴史を概観します。 太陽電池 開発の成果を明らかにし、これまでの主要な効率記録に焦点を当てます。
目次
太陽電池の開発
Classification
太陽電池の効率
長年にわたる太陽電池の世界記録
ラボ効率と商用効率の違い
太陽電池技術の主要なトレンド
包み込む
太陽電池の開発
の歴史 太陽電池 その起源は、特定の PV 材料が光にさらされると電流を生成する可能性があることを科学者が発見した 1800 年代後半に遡ります。しかし、ベル研究所が最初の実用的なシリコン太陽電池の開発に成功したのは 1954 年になってからでした。 1960 年代に、宇宙船のエネルギー供給に太陽電池が使用され始め、その技術のさらなる発展に拍車がかかりました。
1970 年代に商業化と普及が始まり、エネルギー危機の出現により、太陽電池は再生可能エネルギー源としてさらに注目を集めました。技術の進歩と生産コストの低下により、太陽電池は商業用途や住宅用途で広く使用されるようになりました。
Classification
単結晶シリコン 太陽電池: それらは単一のシリコン結晶でできており、より効率的ですが比較的高価です。これらは通常、高いエネルギー変換効率と長い耐用年数を備えています。
多結晶シリコン 太陽電池: 複数の小さなシリコン結晶から作られているため、単結晶シリコンよりも効率はわずかに劣りますが、コストは低くなります。
薄膜 太陽電池: アモルファスシリコンまたは他の材料（CdTe、CIGSなど）は、基板上で非常に薄い層で覆われています。これらのセルは安価ですが、通常、結晶シリコンセルよりも効率が低くなります。
新作 太陽電池: これらには、有機太陽電池、カルコゲナイド太陽電池などが含まれており、製造コストの削減と新たな応用の可能性を提供する可能性があります。特にカルコゲナイド電池は新たなブレークスルーをもたらす可能性があります。
太陽電池の効率
太陽電池 効率は、太陽電池が太陽光をどれだけ効率的に電気に変換するかを示す重要な指標です。具体的には、太陽電池が生成する電力と太陽光から受け取る電力の比率です。言い換えれば、太陽電池が吸収する太陽エネルギーのどれだけが効率的に電気エネルギーに変換されるかを表します。
太陽電池の効率の重要性
電力出力： 効率が高いほど、同じサイズの太陽電池が同じ光条件下でより多くの電力を生成できます。
費用対効果： 効率の向上により太陽光発電の単価が下がり、太陽光発電の経済的競争力が高まります。
スペース使用率: 高効率の太陽電池は、限られたスペースでより多くの電力を生成できます。これは、屋上の太陽光発電システムや小規模な設備など、スペースに制約のある用途では特に重要です。
効率改善プロセス
太陽電池の開発は 3 つの段階に分けることができ、各段階には独自の技術的進歩があります。
フェーズ I: 結晶シリコン太陽電池
の最初の段階 太陽電池 主に単結晶および多結晶シリコン材料をベースとしています。最初に商品化されたシリコン太陽電池の効率は約 6% でしたが、技術の向上により、最新の単結晶シリコン太陽電池は実験室条件下で 22% 以上の効率に達することができました。
達成プロセス: 効率の向上は主に、シリコン純度の技術進歩、格子構造の最適化、反射率の低減、電極設計の改善、セル内のエネルギー損失の低減によるものです。
フェーズ II: 薄膜太陽電池
ボーマン 太陽電池 これには、セレン化銅インジウムガリウム（CIGS）、カドミウムテルル（CdTe）、アモルファスシリコン太陽電池が含まれます。これらの薄膜セルの始動効率は低く、一般に約 10% ですが、材料とプロセス技術の発展により、CIGS および CdTe セルの実験室効率は 23% を超えています。
これは主に、薄膜材料の光吸収能力の向上、キャリア輸送効率の向上、セル構造の最適化によって実現されます。
フェーズ III: チタン酸カルシウム太陽電池
チタン酸カルシウム 太陽電池 近年最も急速に成長している種類の太陽電池です。 2009 年の最初のレポート以来、その効率は当初の 3.8% から現在では 33.9% 以上まで急速に向上しています。
効率の急速な向上は、高い光吸収係数、調整可能なバンドギャップ、簡単な製造プロセスなどのカルコゲナイド材料の独特の利点によるものと考えられます。
長年にわたる太陽電池の世界記録
開発の初期段階 (2009 ～ 2012)
2009 年、エネルギー変換効率 3.5%: 日本の科学者宮坂氏は色素増感太陽電池にカルコゲナイド材料を光吸収材料として使用したが、材料は不安定で数分後に故障した。
2011 年、エネルギー変換効率 6.5%: 韓国の成均館大学のNam-Gyu Park氏は、カルコゲナイド太陽電池の技術を改良し、光電変換効率を劇的に向上させましたが、依然として液体電解質が使用されているため材料はまだ不安定で、導入後に効率が80%低下しました。数分。
2012 年、エネルギー変換効率 10%: オックスフォード大学ヘンリー・スナイスのグループは、輸送材料Spiro-OMeTAを導入し、カルコゲナイド電池の固体状態を実現し、変換効率をさらに向上させ、太陽光発電性能は500時間後も明らかに低下せず、優れた安定性能を実証しました。
開発初期段階（2012年～2015年）
１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。, オックスフォード大学のヘンリー・スナイスはセル内のTiO2をアルミニウム(A1203)に置き換え、それ以来方解石はセル内の光の吸収層としてだけでなく、電荷を転送するための半導体材料としても機能するようになりました。
１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。, カルコゲニドは、Science 10 のトップ 2013 の科学的ブレークスルーの XNUMX つに選ばれました。
2015 年のエネルギー変換効率は 15%: 中国、日本、スイスは協力して大面積（動作面積1CM2以上）のカルコゲナイド太陽電池を製造し、国際当局の認定を受けた。
急速な発展段階（2016年～現在）
2016 年、エネルギー変換効率 19.6%: ローザンヌにあるスイス連邦工科大学の Gratzel 教授のグループは、認証効率を 19.6% に向上させました。
2018 年、エネルギー変換効率 23.7%: 中国科学院半導体研究所は、カルコゲニド表面欠陥の有機塩不動態化を提案し、変換効率を23.3%、23.7%と連続的に高めました。
2021 年、エネルギー変換効率 29.8%: ヘルムホルツ センター ベルリン (HZB) は、ヘテロジニアス接合 (HJT)、TOPCon、およびその他の結晶シリコン技術の効率限界を超える 29.8% のカルコゲナイド タンデム電池変換効率を開発しました。
2022 年、エネルギー変換効率 31.3%: ローザンヌ連邦工科大学エコール (EPFL) とスイス電子マイクロテクノロジーセンター (CSEM) は、変換効率 31.3% のカルコゲニドとシリコンを積層した太陽電池を開発しました。
2023 年、エネルギー変換効率 33.9%: 中国のLONGi Green Energy Technology Co.が独自に開発した結晶シリコン-カルサイト積層セルの効率は33.9%に達し、単接合セルのShockley-Quayther（SQ）理論効率限界である33.7%を超えた。
ラボ効率と商用効率の違い
実験室の効率と商品化の効率は、太陽電池の性能を評価するための 2 つの異なる指標であり、これらの間にはいくつかの重要な違いがあります。
研究室の効率
定義：
実験室効率は、実験室の最大効率です。 太陽電池 理想的な実験室条件下で測定されます。これには通常、特定の光強度 (1000 W/m²)、特定のスペクトル分布、固定温度 (通常 25°C) などの標準テスト条件 (STC) が含まれます。
特性：
通常、実験室の効率は、セルのパフォーマンスを最大化するように設定された最適化されたテスト条件下で測定されます。
このような効率は通常、太陽電池パネルまたはシステム全体ではなく、個々のセルまたは小型セルのサンプルについて測定されます。
実験室の効率は、太陽電池の技術的可能性の上限を反映しています。
商品化効率
定義：
商品化効率は、 太陽電池 または実際に生産され市場に投入されるソーラーパネル。消費者が太陽電池システムを購入して使用する際に期待できる性能のレベルです。
特性：
商品化の効率は、材料のばらつき、製造公差、長期信頼性など、大量生産プロセスにおけるさまざまな実際的な要素を考慮する必要があるため、通常、実験室の効率よりも低くなります。
この効率は、さまざまな温度、光条件、影の可能性など、実際の動作条件に近い条件下で測定されます。
商業化された効率は、日常使用における太陽電池の実際の性能をより反映しています。
違い
効率性： 実験室の効率は理想的な条件下で得られるため、通常は商業効率よりも高くなります。
応用： 新しい技術の進歩を促進するために、研究開発では研究室の効率がより活用されています。一方、商業化された効率性は実際の製品性能と市場競争力に焦点を当てています。
費用： 商業化された効率が達成される場合、生産コストと大規模生産の実現可能性も考慮する必要がありますが、これは通常、実験室の効率を決定する際に主要な考慮事項ではありません。
太陽電池技術の主要なトレンド
将来のブレークスルー 太陽電池 テクノロジーは、効率の向上、コストの削減、耐久性の強化、および多様な用途のニーズへの適応を中心としています。以下は、これらの傾向に関する詳細な見通しです。
エネルギー変換効率の向上
多接合太陽電池: 異なるバンドギャップを持つ半導体材料を積層することにより、多接合太陽電池はより広い帯域の太陽光を吸収できるため、全体の効率が向上します。将来的には、さらに多くの三重接合、さらには四接合の太陽電池が登場する可能性があります。
カルコゲナイドとシリコンの組み合わせ： カルコゲニド太陽電池と従来のシリコン電池を組み合わせてハイブリッド太陽電池または積層太陽電池を形成すると、より高い効率とより優れたスペクトル応答が得られる可能性があります。
コストの削減と持続可能性の向上
スケールアップ生産: 太陽電池の製造コストは、技術が成熟し、生産のスケールアップが実現するにつれてさらに低下すると予想されます。
再生可能素材: より環境に優しく、リサイクル可能な材料の研究開発と、希少で有毒な材料への依存の削減は、太陽電池の環境持続可能性の向上に役立ちます。
耐久性と信頼性の向上
長期安定性の向上: 研究者らは、太陽電池の長期安定性と耐候性を改善して、さまざまな環境条件に対処し、寿命を延ばすことを目指しています。
自己修復材料: 軽微な損傷を自己修復し、長期間高効率を維持できる太陽電池材料を開発する。
包み込む
の効率向上 太陽電池 特にこの分野に新たな活力をもたらすカルコゲナイドセルの実用化により、この分野は急速な段階に入っています。太陽電池効率の継続的な改善は、太陽光発電技術の開発と市場での採用を促進する重要な要素です。
材料科学の革新、高度なセル設計、製造技術の進歩により、太陽電池はより効率的でコスト効率が高く、信頼性が高くなりました。さらなる効率の向上と新技術の適用により、家庭や企業にとってより信頼性が高くコスト効率の高いエネルギー ソリューションが提供されることが期待されます。
最後に、 Alibaba.com さまざまな再生可能エネルギーのトレンドを調査し、家庭用および業務用の太陽電池を含む製品のリストを参照します。
