薄膜太陽電池 は一種の太陽電池です。 太陽電池。 ガラス、プラスチック、または金属基板上に光起電力材料の薄層を堆積することによって作られる 薄膜太陽電池は 通常、従来の結晶シリコンベースの太陽電池で使用されるウェーハよりもはるかに薄いです。 薄膜太陽電池は 、テルル化カドミウム (CdTe)、二セレン化銅インジウムガリウム (CIGS)、アモルファス薄膜シリコン (a-Si、TF-Si) などのいくつかの材料のいずれかを使用して商業的に製造されています。
太陽電池は、製造に使用される光吸収層の種類に基づいて世代に分類されることがよくあります。最も確立された太陽電池または 第一世代の 太陽電池は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで作られています。これは、現在ほとんどの太陽光発電システムで使用されている主要な技術です。ほとんどの種類の 薄膜太陽電池は に分類され 第 2 世代、アモルファス シリコン (a-Si)、テルル化カドミウム (CdTe)、セレン化銅インジウム ガリウム (CIGS)、またはガリウム ヒ素 (GaAs) などの材料の薄層を使用して作られます。新しい、あまり確立されていない材料で作られた太陽電池は、 第 3 世代 または新興太陽電池として分類されます。これには、ペロブスカイト、色素増感、量子ドット、有機、CZTS などの革新的な薄膜技術が含まれます。 薄膜太陽電池。
薄膜セルには、 薄い構造により軽量で柔軟性が高いなど、第 1 世代のシリコン太陽電池に比べていくつかの利点があります。これにより、建物に統合された用途での使用に適しています。 太陽光発電 、および窓にラミネートできる半透明の太陽光発電グレージング材料として。他の商業用途では、世界最大級のパネルで硬質薄膜ソーラーパネル (2 枚のガラスの間に挟まれた) が使用されています。 太陽光発電 所。さらに、使用されている素材は、 薄膜太陽電池 は通常、第 1 世代の電池よりもコスト効率が高く、シンプルで拡張可能な方法を使用して製造され、多くの場合、温室効果ガス (GHG) 排出などの環境への影響の低減につながります。また、薄膜電池は通常、人体への毒性や重金属の排出に関して、再生可能および非再生可能発電源よりも優れています。
特に第 3 世代の PV 材料では、効率的な光変換に関する初期の課題にもかかわらず、2023 年の時点では、 薄膜太陽電池は 最大 29.1% の効率に達しています。 単接合薄膜 GaAs セル。標準的な単接合第一世代太陽電池の最大効率 26.1% を超えます。薄膜技術を組み込んだ多接合集光セルは、2023 年の時点で最大 47.6% の効率に達しています。
多くの薄膜技術は、加速寿命試験で第 1 世代のセルよりも動作寿命が短く、劣化速度が大きいことが判明しており、そのことが薄膜技術の導入がある程度限定されている一因となっています。世界的に見ると、薄膜技術の太陽光発電市場シェアは2023年の時点で約5%にとどまっている。しかし、米国では薄膜技術の人気がかなり高まっており、2021年にはCdTeセルだけで新たな実用規模の導入の29%を占めた。
薄膜太陽電池の初期の研究は 1970 年代に始まりました。 1970 年、ヨッフェ研究所のゾレス アルフェロフのチームは最初のガリウムヒ素 (GaAs) 太陽電池を作成し、後にこの研究と他の研究により 2000 年のノーベル物理学賞を受賞しました。 2年後の1972年、カール・ベーア教授は薄膜太陽電池の研究をさらに進めるためにデラウェア大学にエネルギー変換研究所（IEC）を設立した。同研究所は最初に硫化銅/硫化カドミウム (Cu 2S/CdS) 電池に焦点を当て、その後 1975 年にリン化亜鉛 (Zn 3P 2) やアモルファス シリコン (a-Si) 薄膜にも拡張しました。1973 年、IEC は住宅用建物に統合された太陽光発電の最初の例として、太陽光発電住宅 Solar One をデビューさせました。次の 10 年間で、商業用薄膜技術に関心が高まりました。使用および航空宇宙用途が大幅に増加し、いくつかの企業がアモルファス シリコン薄膜太陽電池の開発を開始しました2。1980 年に Cu S/CdS の薄膜太陽効率は 10% に上昇し、1986 年に ARCO Solar はアモルファス シリコン製の最初の市販薄膜太陽電池である G-4000 を発売しました。
1990 年代と 2000 年代には、薄膜太陽電池の最大効率が大幅に向上し、既存の薄膜技術が新しい分野に拡大されました。 1992 年に、効率 15% を超える薄膜太陽電池が南フロリダ大学で開発されました。わずか 7 年後の 1999 年、米国国立再生可能エネルギー研究所とスペクトロラブは、3 接合ガリウムヒ素太陽電池の共同研究で、 効率は 32% 。同年、Kiss + Cathcart は、タイムズ スクエア 4 の一部の窓に透明な薄膜太陽電池を設計し、5 ～ 7 軒の住宅に電力を供給するのに十分な電力を生成しました。 2000 年に、BP ソーラーは薄膜技術に基づいた 2 つの新しい商用太陽電池を導入しました。2001 年に、最初の有機薄膜太陽電池がリンツのヨハネス ケプラー大学で開発されました。 2005年に、 GaAs 太陽電池は、 ラドボウド大学の研究者によって導入された最初の自立型 (基板なし) セルでさらに薄くなりました。
この時期は、新しい第 3 世代太陽電池材料、つまり従来の固体材料の理論上の効率限界を克服する可能性を秘めた材料の探索が大きく進歩した時期でもありました。 1991 年に、電池の通常の固体半導体 (活性) 層を光吸収色素を含む液体電解質混合物に置き換えた、最初の高効率色素増感太陽電池が開発されました。 2000年代初頭、量子ドット太陽電池の開発が始まり、その技術はその後2011年に国立再生可能エネルギー研究所によって認定された。2009年、東京大学の研究者は、光を吸収できるペロブスカイト層を作成した村瀬智夫の1999年の研究に基づいて、活性層としてペロブスカイトを使用し、3%を超える効率を達成した新しいタイプの太陽電池を報告した。
2010年代から2020年代初頭にかけての薄膜太陽電池技術の革新には、第3世代太陽電池技術を新たな用途に拡張し、生産コストを削減する取り組みや、第2世代と第3世代の両方の材料の大幅な効率改善が含まれています。 2015 年、Kyung-In Synthetic は、産業用プリンターで製造されたフレキシブル太陽電池である初のインクジェット太陽電池をリリースしました。 2016 年、マサチューセッツ工科大学 (MIT) のウラジミール ブロビッチ氏の有機ナノ構造エレクトロニクス (ONE) 研究室は、シャボン玉の上に乗せられるほど軽い薄膜セルを作成しました。 2022年、同じグループは布地に統合されたフレキシブル有機薄膜太陽電池を導入した。
薄膜太陽電池技術は最高の世界市場シェアを獲得しました。 1988年には新たな太陽光発電 導入量の32%を占め、その後数十年間減少し、2009年には再び17%という小さなピークに達しました。市場シェアはその後着実に減少し、2021年には全世界で5%となりましたが、同年の薄膜技術は、事業規模の生産の30%を含む米国市場全体の約19%を獲得しました。
