太陽電池 多接合型太陽電池

太陽電池

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2018/08/22 15:21 UTC 版)

多接合型太陽電池

多接合型(スタック型積層型タンデム型などとも呼ばれる)太陽電池とは、利用波長の異なる太陽電池を複数積み重ねた太陽電池である。

特徴

  • 太陽光のエネルギーをより無駄なく利用することで変換効率の向上が図れる。
  • 材料の組み合わせによっては、温度特性や必要な資源量を削減するなどの効果も得られる。

原理

多接合型太陽電池の概念図:各波長の光子のエネルギーを効率良く利用する。
  • 太陽光スペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、短波長(紫外、紫、青)の光になるほど光子は大きなエネルギーを持ち、より大きな禁制帯幅を超えてキャリアを励起できる。この短波長側の光に対応した禁制帯幅を持つ単接合太陽電池を用いれば、より大きな電圧を得ることが出来、短波長域の光のエネルギーをより効率良く利用できる。しかし禁制帯幅を拡げすぎれば、より長波長の光は素通りして利用されず、出力電流が減少する。
  • 即ちpn接合が1つだけの単接合太陽電池においては、禁制帯幅より大きなエネルギーの光子のエネルギーの一部が無駄になり、禁制帯幅より小さなエネルギーの光子のエネルギーは利用できない。このような兼ね合いから、単接合の太陽電池では禁制帯幅 1.3~1.4 eV付近が最も高い変換効率が得られる。単接合の場合、変換効率の限界は約30%とされる。2005年現在の記録はAM1.5G,1sunにおいて25.1%、AM1.5、255suns(集光セル)において27.6%である。
  • ここで、禁制帯幅の異なる複数のpn接合素子を積層し、光の入射側の素子から順に短波長の光を利用して発電し、より長波長の光はより下層の素子で利用する。こうすれば各波長域の光子のエネルギーをより無駄なく取り出すことが出来(より高い電圧が得られる)、かつより長波長まで含めたより多くの光子を利用できる(より多くの電流が得られる)。変換効率は最終的に取り出せる電力(電圧×電流)で決まるため、単接合の場合に比べてより高い効率が得られる。
  • 理論的には無限に接合を増やせば約86%の変換効率になると計算されるが、実際には上層の素子を通過する際の光の損失や素子間の電流の整合の問題で、それより低くなる。2012年現在の記録は3接合セルで得られている(下記)。4接合、5接合のセルも研究されている。

応用

  • GaInP/GaAs/Geの3接合セルで30%を超える効率が得られ、主に宇宙用に用いられている。2012年5月の時点で、シャープがInGaP、GaAs、InGaAsの集光型化合物3接合セルで43.5%を達成している[40]
  • 民生品では、微結晶シリコンとアモルファスシリコンを積層したものや、通常のa-Siと禁制帯幅の異なるa-SiCやa-SiGeを積層したものなどが開発・実用化されている[41]。アモルファスシリコンは禁制帯幅が広く、利用波長域が結晶シリコンと異なるため、同一元素同士でも多接合太陽電池を形成できる。このようにすることで効率だけでなく、温度・光強度に対する特性や最終的な資源の消費量の面でも優れた製品が市販されている(温度の影響も参照)。



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  17. ^ 球状太陽電池(京セミ株式会社)
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  20. ^ 電界効果を用いる新型高効率アモルファス太陽電池の開発(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)
  21. ^ 低次元超構造のコンビナトリアル分子層エピタキシー(独立行政法人科学技術振興機構)
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  27. ^ 長岡高専
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  35. ^ ヘリアテック社が有機太陽電池においてセル効率13.2%の世界新記録を更新
  36. ^ 高効率ペロブスカイト型太陽電池の製造コストが大幅低減
  37. ^ R・Turton著、川村 清監訳など『量子ドットへの誘い マイクロエレクトロニクスへの未来へ』1998年、シュプリンガー・フェアラーク東京、p47、ISBN 4-431-70780-8
  38. ^ 産業技術総合研究所太陽光発電研究センター「トコトンやさしい太陽電池の本」、日刊工業新聞社、ISBN 978-4-526-05795-3 P.78
  39. ^ 東北大、量子ドット太陽電池で世界最高効率-12.6%
  40. ^ 集光型太陽電池セルで世界最高変換効率43.5%を達成
  41. ^ 例1 例2
  42. ^ 例えば(浜川, & 桑野 1994, p. 167)





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