太陽光発電に革命をもたらす新技術

世界中の政府がグリーントランジションを推進する中、世界中の企業が再生可能エネルギー生産を改善する革新的な方法の研究開発に多額の投資を行っています。企業がより強力なパネルやより大きなタービンを建設するにつれ、太陽光発電所や風力発電所などの従来の再生可能エネルギー プロジェクトは、新しいテクノロジーによって大幅に効率化されています。現在、あるドイツ チームは、太陽エネルギー生産を大幅に増やすことができる新しい集光システムを発見したと考えています。

従来のソーラー パネルは、可視スペクトル全体の光を吸収するシリコン ベースの太陽電池に依存していますが、その吸収は弱いです。これらの太陽電池は、発電に十分な陽子を吸収できるようにするために、数マイクロメートルの厚さが必要です。そのため、重く、高価で、狭いスペースに配置するのが困難です。対照的に、有機染料で作られた薄膜太陽電池は、わずか 100 ナノメートルの厚さで、より安価で軽量です。ただし、吸収できるのは太陽スペクトルのごく一部だけです。科学者は、重量とコストを抑えながらソーラー パネルの効率を高めることを目指して、何年も解決策を模索してきました。

現在、ドイツ、バイエルン州ヴュルツブルク大学の科学者たちは、太陽光発電を大幅に強化するために必要な構造を発見した可能性があると考えています。研究者たちは最近、Chem 誌に URPB システムの使用を実証する研究を発表しました。URPB システムは紫外線、赤、紫、青の頭文字をとったもので、太陽光を効率的に捕らえることができる植物やバクテリアの光合成アンテナに基づいています。URPB モデルは、紫外線、可視光線、近赤外線の波長にわたって効率的に光を捕らえることができるように、正確な構成で積み重ねられた 4 つの異なる染料を使用します。

テスト段階で、研究チームは入射光の 38 パーセントを有用なエネルギーに変換することができました。一方、4 つの染料単独では、1 パーセント未満から最大 3 パーセントしか変換できません。JMU の化学教授 Frank Würthner 氏は、「私たちのシステムは、無機半導体に似たバンド構造を持っています。つまり、可視範囲全体にわたってパンクロマティックに光を吸収します。また、有機染料の高い吸収係数を使用します。その結果、比較的薄い層で大量の光エネルギーを吸収することができ、これは自然の集光システムと同様です」と説明しています。

次の課題は、商業利用のためにプロセスを拡大することです。この技術を使用して実験室環境でエネルギーを生成することには成功していますが、新しい技術を現実の環境で使用することになると、常に大きな課題があります。

これは、太陽エネルギー生産の向上を目的として世界中でテストされている最新の技術にすぎません。公的資金や減税などの財政的インセンティブの増額や、化石燃料の消費量を削減するために世界の再生可能エネルギー容量を増やす必要性に後押しされ、世界中の企業が太陽エネルギー分野の研究開発に多額の投資を行っています。太陽光発電は過去10年間で飛躍的に進歩しました。太陽光パネルの効率は2012年の約17％から現在では22～29％に上昇し、生産コストは低下し、太陽光パネルのワッ​​ト当たりの価格は2000年の約5ドルから現在では50セント未満にまで下がりました。

国際再生可能エネルギー機関（IRENA）によると、太陽光発電（PV）は世界で最も急速に成長しているエネルギー源であり、2010年以来約26倍に成長しています。2022年末までに、世界の太陽光発電設備容量は1,047GWとなり、2022年だけで191GWが追加されました。

今年初め、トルコの研究者らは、従来のフラットパネルよりも最大 66% 多くの光を吸収できると考えられる半球形の太陽光発電セル構造の可能性を示す研究を発表しました。チームは現在、コンピューター シミュレーションで有望と思われたこの技術をテストするためのプロトタイプの作成を検討しています。

ペロブスカイト太陽電池 (PSC) の使用についても、その高性能と低い製造コストのおかげで楽観的な見方が広がっています。PSC は近年大きな進歩を見せており、2009 年の約 3% から現在では 25% を超える大幅な効率向上が見られます。このため、米国エネルギー省 (DoE) や世界中の他の公的機関および民間機関は、PSC 技術の改善に多額の投資を行っています。

これまで、PSC のテストのほとんどは実験室環境で行われてきました。しかし、ノースカロライナ大学が率いる米国の全国規模の研究者チームは、テストを屋外に移しています。米国エネルギー省のペロブスカイトPV商業化技術加速器（PACT）センターは、この技術を29週間屋外で使用し、16％を超える運用効率を達成することに成功した。NRELの化学研究者、ローラ・シェルハス氏は、「実世界での実証は商業化に向けた重要なステップであり、PACTがこれらの機能を提供することで、研究者や企業がこのデータを活用して信頼性を向上させることができることを期待しています」と説明した。