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太陽光発電・太陽電池

光エネルギーを電気エネルギーに変換する小型太陽電池のイメージ

太陽光発電は、原子レベルで光を電気に変換する技術です。光電効果によって、ある種の半導体材料は太陽光(フォトン)を吸収して電子を放出します。太陽電池は可視光だけでなく、太陽光からの広範囲の波長域の光を吸収し、太陽放射エネルギーを有用なエネルギーに変換します。安全かつ持続性可能で効率的なエネルギー源として、太陽光発電および太陽電池システムは、電気自動車(EV)、ソーラールーフから揚水ポンプ、海水の淡水化システムまで、さまざまな機器におけるネットワーク発電または単独発電で使用されています。  

太陽電池は、pn接合として半導体材料層を利用し、フォトンとしての光エネルギーを電流(電子)に変換します。このpn接合とは、p型半導体(電子受容体)とn型半導体(電子供与体)の界面です。フォトンがn型半導体に吸収されると、電子が取り除かれ、自由電子と電子正孔のペアが生成します。負に帯電した電子はp型材料に、正に帯電した正孔はn型材料に引きつけられます。完成した回路が電極に接続されると、自由電子は回路内を移動して電流および電圧を発生し、最終的にp型材料に戻って電子-正孔と再結合します。

太陽光発電システムの効率は、発電セル技術の種類と、用いる半導体材料の種類によって異なります。初期の太陽電池は、無機系の多結晶や単結晶材料で構成されていました。近年太陽電池の技術が大きく進歩したのは、有機エレクトロニクスや有機材料の著しい進歩によるものです。

有機太陽電池は軽量かつフレキシブルであり、インジウムスズ酸化物(ITO)やフッ素ドープ酸化スズ(FTO)などの透明導電体上に、低温溶液プロセスにより高性能ポリマードナー、フラーレン、非フラーレンアクセプター(NFA:non-fullerene acceptor)などを積層し、低コストで製造できます。有機ホール輸送材料(HTM:hole-transport material)は、高性能ペロブスカイト太陽電池の実現を可能にし、太陽エネルギーをより効率的に利用するための新たな方法となっています。

ペロブスカイト太陽電池では、通常、光活性層として無機有機ハイブリッド材料を使用します。ペロブスカイト太陽電池は、変換効率が高く、低コストで製造が容易なため、最も急速に発展している太陽電池技術です。特に、ハロゲン化鉛ペロブスカイトは最も高い変換効率を示し、大規模製造に向けた開発が進められています。 


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