太陽光発電 世界の化石燃料使用量を削減するための最も有望な解決策の1つです。環境上の利点とユーザーにとっての長期的なコスト削減により、商業および消費者向けエネルギー部門での導入が増加し、太陽エネルギー技術の将来は非常に明るいものとなっています。
太陽電池の効率向上
最も一般的な太陽エネルギー収集技術は、太陽光発電（PV）に依存しています。 太陽電池 太陽のエネルギーを電気に変える。太陽は表面積あたり約1000W/m^2の特定量のエネルギーを供給し、PVセルがそれを収集して電気に変換します。あらゆる物理的な相互作用と同様に、このプロセスの効率は、電気に変換できるエネルギーの量に影響します。結局のところ、PVセルとソーラー パネルの効率は、それらのパネルを構成する材料の物理的特性によって制限されます。たとえば、シリコン ウェーハ ベースのPVソーラー パネルの理論上の最大効率は、ショックレー クワイサー効率限界によると30% です。つまり、「完璧な」1平方メートルのソーラー パネルは300ワットの電力を生成できることになります。
現在商業化されている太陽光発電市場は、それぞれ理論上の最大効率を持つ結晶シリコンやガリウムヒ素などの材料に依存するウェハベースの太陽光発電技術が主流です。面積当たりのエネルギー収集効率はガリウムヒ素の方が優れているにもかかわらず、シリコンセルPVシステムは現在の市場シェアの90%以上を占め、PV市場を支配しています。
第2世代のPV技術は、カドミウムテルル化物、水素化アモルファスシリコン、銅イディオムガリウム (二) セレン化物セルなどの材料で構成される薄膜セル技術に依存しており、20% を超える効率レベルに達することができます。薄膜セルPVはコストが高いため商業化が制限されていますが、今後数年間でこのプロセスがPV市場にさらに浸透する可能性があります。当初は高価だったウェーハベースのシリコンPVソリューションと同様に、太陽エネルギー収集市場の拡大に伴い、薄膜セルPV技術はより手頃な価格でコスト効率の高いものになるでしょう。
ペロブスカイトなどの第3世代材料は、将来のPV技術です。ペロブスカイトPV技術はまだ初期段階ですが、システム全体の効率向上に向けた次の大きな一歩となる可能性があります。ペロブスカイトは、すべての可視波長の光を吸収し、従来のPVモジュール技術とは対照的に、比較的簡単に製造できます。第三世代のPVテクノロジーは、近い将来、コスト効率と効率性を融合できるようになるかもしれません。ペロブスカイトには以下の特性があります。
· 半透明
· より適応性の高いフォームファクター
· 身体の柔軟性の向上
太陽光パネル建設の最適化
材料効率はPV太陽光発電の生産性に重要な役割を果たしますが、 ソーラーパネル の構造に小さな調整を加えることで、システム全体の効率が2% 近く向上しました。以下に、これらの調整をいくつか示します。
· 太陽電池の後ろにある黒いバックシートをなくすことで、太陽電池パネル全体の温度が下がります。この変化により、温かいシリコン ウェハーは電気伝導効率が低下するため、半導体ウェハーの効率が向上します。
· 太陽電池の後ろに反射材を追加すると、太陽からの光子が半導体ウェハーを通して反射され、太陽電池内での光子の相互作用の可能性が本質的に高まります（そして最終的により多くの電気が生成されます）。
· 太陽電池間の向きと回路を最適化することで、PVソーラーパネルの全体的なシステム効率も向上します。
これらの構造の最適化は一般に独自のものであり、太陽光発電会社ごとに異なります。そのため、太陽光パネルを比較すると、パネル効率にわずかな違いが生じます。2020年現在、市販されている最も効率的なソーラーパネル は、太陽から受けるエネルギーの22.6%を収穫できます。2017年7月、米国の科学者は44.5%の効率を達成できるプロトタイプの太陽電池を開発しました。このプロトタイプは市販品のほぼ2倍の生産性がありましたが、現時点では生産コストが法外に高いことが判明しました。
太陽光パネルのコスト削減
おそらく、市販のPV技術における最近の最大の改善点は、コストの削減です。家電製品などの他の産業におけるシリコン ウェーハのコスト効率と豊富さ、およびシリコン ウェーハ製造プロセスの継続的な最適化により、PV技術の低価格化が大幅に加速しました。PV市場が拡大し、より効率的なソーラーパネルの設計要件が高まるにつれて、現在のコストが法外に高く、超効率的なソリューションは、現在普及しているシリコンPVシステムと競合できるようになります。
シリコンベースの太陽電池モジュール（太陽電池パネル1枚あたり）のコストも、過去10年間で89% 低下しました。1977年、PVセルのコストは発電量1ワットあたり77ドルでしたが、現在では太陽エネルギー システムのコストは1ワットあたり約0.13ドルです。ただし、これらの数値はほぼすべて第1世代のPV技術に限定されています。シリコン ウェーハ ベースのPVパネル システムは継続的に改善されていますが、最終的にはより効率的なシステムが勝利するでしょう。しかし、現在のところ、シリコンPVシステムのコストと競合できる商用システムは存在しません。
PVインバータの効率と太陽光発電の蓄電
最近では、その他のPVソーラー システムの最適化も注目を集めており、PVソーラー システム全体の効率向上に役立っています。ソーラーパネルインバータはソーラーパネルグリッドのDCエネルギーをACに変換しますが、これにより効率が低下する可能性があります。ワイドバンドギャップパワーエレクトロニクスの最近の進歩により、インバーターの効率（および物理的なサイズ）が大幅に改善されました。さらに、バッテリー技術の向上により、テスラ パワーウォールなどの太陽エネルギー貯蔵システムは、収集した電気をこれまで以上に効率的に貯蔵できるようになりました。
結論: 太陽光発電産業は成長に向けて準備が整っている
太陽光発電は急速に普及に向けて準備を進めています。製造コストの削減とパネルあたりの電気生産性の向上により、太陽光パネル システムをより多くの消費者が利用できるようになっています。太陽光発電業界は、幅広い導入と前例のない成長に向けて準備が整っています。