薄膜太陽電池パネルとは

1. 薄膜太陽電池パネルとは何ですか?

単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで作られた第一世代の太陽電池とは異なり、薄膜太陽電池パネルは、変換するためにさまざまなガラス、プラスチック、または金属で構成される表面上に PV 素子の単層または複数層を使用して製造されます。太陽光を電気に変える。 そして、薄膜太陽電池技術に最も一般的に使用されるのは、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)、アモルファスシリコン (a-Si)、およびガリウムヒ素 (GaAs) です。

2 薄膜太陽電池パネルの構造

薄膜太陽電池パネルは多数の薄膜太陽電池で構成され、太陽からの光エネルギー（フォトン）を利用して光起電力効果により発電します。 これには層、バックシート、ジャンクションボックスも含まれており、それらすべてが連携してソーラーパネルの正常な動作を保証します。

薄膜太陽電池とは何ですか?

薄膜太陽電池は、光起電力効果によって太陽光を電気エネルギーに変換する電子デバイスです。薄膜電池は使用する材料がはるかに少なくなる傾向にあり、通常、電池の活性領域の厚さはわずか 1 ～ 10 マイクロメートルです。 また、薄膜セルは通常、自動化された連続生産プロセスである大面積プロセスで製造できます。

さらに、薄膜ソーラーパネルは、酸化スズなどの透明な導電性酸化物の薄層を使用して機能します。 一方、薄膜セルは、ヘテロ接合と呼ばれる界面で電場をより適切に生成するために、半導体材料の多数の小さな結晶粒で作られています。 ゼネラルロイのこの種の薄膜デバイスは、反射防止コーティングや透明導電性酸化物の堆積など、基板上に層を重ねて順次堆積する単一ユニットとして、つまりモノリシックに作成できます。

レイヤーとは何ですか?

通常、薄膜ソーラーパネルの上部には「窓」層と呼ばれる非常に薄い（0.1ミクロン未満）層があり、スペクトルの高エネルギー端のみからの光エネルギーを吸収します。 すべての利用可能な光が界面 (ヘテロ接合) を通過して吸収層に到達できるように、十分に薄く、十分に広いバンドギャップ (2.8 eV 以上) を持たなければなりません。 窓の下の吸収層は、通常はドープされたp型で、高電流に対する高い吸収率(光子を吸収する能力)と、良好な電圧を提供する適切なバンドギャップを備えています。

バックシートとは何ですか？

バックシートは、ポリマーまたはポリマーとさまざまな添加剤の組み合わせとして、太陽電池と外部環境の間にバリアを提供するように設計されています。 このことから、バックシートがソーラー パネルの耐久性、効率、寿命にとって重要な要素であることがわかります。

ジャンクションボックスとは何ですか?

電気接続を収容および保護するために使用される電気エンクロージャとして、ジャンクション ボックスは、電気接続のための安全で確実な環境を提供し、活線との偶発的な接触を防ぎ、将来のメンテナンスや修理を簡素化するように特別に設計されています。 通常、PV ジャンクションボックスはソーラーパネルの背面に取り付けられ、その出力インターフェイスとして機能します。 ほとんどの太陽光発電モジュールの外部接続には MC4 コネクタが使用され、システムの残りの部分への耐候性接続が容易になります。 USB電源インターフェースも使用できます。

3 薄膜太陽電池パネルの開発の歴史

薄膜ソーラーパネルの歴史は 1970 年代に遡ります。このとき、研究者は太陽エネルギーを利用するために半導体の薄膜 (a-Si) を使用するという最初の研究を開始しました。当時、商業利用のための薄膜技術に関心が集まっていました。および航空宇宙用途は、アモルファスシリコン薄膜太陽電池デバイスの開発を促進します。

1980 年代には、技術の進歩により、既存の薄膜材料の、テルル化カドミウム (CdTe) やセレン化銅インジウム ガリウム (CIGS) など、変換効率が高く、製造コストが低い新しい材料への拡張が促進されました。

1990 年代と 2000 年代は、新しい第 3 世代の太陽電池材料、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のある材料の探索が大きく進歩した時期でした。 色素増感太陽電池、量子ドット太陽電池などの新製品を開発しました。

2010年代から2020年代初頭にかけて、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が含まれていました。 2004 年、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) は、CIGS 薄膜モジュールの効率 19.9% という世界記録を達成しました。2022 年には、フレキシブル有機薄膜太陽電池が布地に統合されました。

現在では、柔軟な有機薄膜太陽電池が製造に組み込まれているため、従来のシリコン パネルよりも優れた選択肢となっています。また、薄膜技術は米国全体の約 19% を占めています。 同年の市場シェアには、事業規模の生産の 30% が含まれます。

4.太陽光パネルの種類

薄膜太陽電池の製造に使用される材料にはいくつかの種類があり、その原材料に応じて4種類に分類されます。 

l テルル化カドミウム (CdTe) 薄膜パネルは、ガラスやステンレス鋼などの基板材料上に蒸着されたテルル化カドミウムの薄層を半導体材料として使用するソーラー パネルの一種です。 軽量で設置が簡単なだけでなく、暗い場所でも高いエネルギー生産が可能です。つまり、曇りや曇りの天候でも発電できます。 CdTe 薄膜太陽電池パネルは、標準試験条件 (STC) の下で 19% の効率に達すると推定されていますが、単一の太陽電池セルでは 22.1% の効率を達成しています。 しかし、カドミウムは適切に処分しないと環境破壊を引き起こす可能性がある重金属であるため、その毒性についていくつかの懸念があります。

l セレン化銅インジウムガリウム (CIGS) 薄膜パネルは、スパッタリングプロセスを通じて基板上にモリブデン (Mo) 電極層を配置することによって製造されます。 他の太陽光発電技術と比較して効率が高く、将来的には理論効率33%を達成する可能性があります。 また、ひび割れや破損が起こりにくく、操作性も良好です。 ただし、これらの利点にもかかわらず、コストは他の技術に比べて比較的高価であるため、さらなる開発が妨げられる可能性があります。

l アモルファス シリコン (a-Si) 薄膜パネルは、ガラス プレートまたはフレキシブル基板を p-i-n または n-i-p 構成で加工することによって製造されます。 a-Si 薄膜パネルの利点には、柔軟性と軽量構造が含まれており、キャンプやリモートセンサーへの電力供給などのポータブル用途での使用に最適です。 ただし、これらのパネルの導電性ガラスは高価であり、プロセスが遅いため、その価格は 0.69 ドル/W 近くと比較的高価です。

l ガリウムヒ素 (GaAs) 薄膜パネルの製造プロセスは、通常の薄膜太陽電池よりも複雑です。 最大 39.2% の高効率を達成し、熱や湿気に対する耐性がより優れていることは注目に値します。 それにもかかわらず、製造時間、材料コスト、および高成長材料を考慮すると、これは実行可能な選択肢ではありません。

5.薄膜太陽電池パネルの応用

薄膜太陽電池パネルは、シリコン太陽光発電に代わる新興クラスとして、主に以下の分野で使用されています。

l ビル一体型太陽光発電(BIPV)

薄膜 PV パネルはシリコン パネルよりも最大 90% 軽量であるため、世界中で広く普及し始めている用途の 1 つは、屋根瓦、窓、弱い構造物などにソーラー パネルを取り付ける BIPV です。 さらに、  一部のタイプの薄膜 PV は半透明にすることができ、住宅や建物の美観を維持しながら太陽光発電を可能にします。

l 宇宙用途

薄膜太陽電池パネル、特に CIGS および GaAs 太陽電池パネルは、軽量、高効率、広い動作温度範囲、さらには放射線に対する耐損傷性などの利点により、宇宙用途に理想的です。

l 車両および船舶用途

薄膜ソーラーパネルの一般的な用途の 1 つは、車両 (特に RV やバス) の屋根やボートやその他の船舶の甲板にフレキシブル PV モジュールを設置することで、美観を保ちながら電力を供給するために使用できます。

l ポータブルアプリケーション

その可搬性とサイズにより、今後数年間で大幅な成長が見込まれる小型自己電源エレクトロニクスおよびモノのインターネット (IoT) 分野での持続可能な発展が可能になりました。 そして、その進歩により、折り畳み式のソーラーパネル、太陽光発電バンク、太陽光発電のラップトップなどを備えた遠隔地でもさらに応用される可能性があります。

6.薄膜太陽電池パネルの開発動向

世界中で太陽エネルギーの受け入れが増加し、厳しいエネルギー制限が実施され、グリーンソースをグリッドに統合する政府の取り組みが強化されているため、薄膜太陽電池パネルは2030年までに約271億1,000万米ドルに達し、2030年から8.29%という驚くべきCAGRで成長すると予想されています。 2022年から 2030 増加の原動力となっているのは、その利点と R&D、非常に経済的で簡単に作成できるため、使用する材料が少なく、廃棄物も少なくなります。 そしてR&太陽電池の耐久性と性能を向上させることにより、市場成長の新たな機会も生まれます。

しかし、チャンスには課題が伴います。 競争の激化、規制環境の変化、利用可能な資金とリソースの不足により、現時点では世界市場のかなりのシェアを獲得できない可能性があります。

7 薄膜太陽電池パネルの投資分析

薄膜太陽電池の市場は近年発展しているようですが、これにはいくつかの要因があります。

l 製品タイプの分析

2018年、CdTeは従来の化石燃料エネルギー源よりも大幅に安いか同等の価格で電力を生産しました。 テルル化カドミウムは、毒性がなく、運営コストと生産コストが安いため、現在、世界の薄膜太陽電池市場を独占しており、予測期間を通じて最も速い速度で成長し続けると予想されています。

l エンドユーザー分析

設置コストとメンテナンスコストを削減するための開発と研究の増加により、消費者のニーズが高まる可能性があります。2022年にはユーティリティ市場が世界の薄膜太陽電池市場を支配し、予測期間を通じて最速の速度で発展し続けると予測されています。 薄膜ソーラーパネルは劣化の速度がはるかに遅いため、従来の c-Si ソーラーパネルの代替となる可能性があります。

l 地域分析

アジア太平洋地域は、2022 年に薄膜太陽電池の世界最大の地域となり、多くの要因によって最も高いペースで拡大し続けると予想されています。 例えば、世界最大の太陽光発電市場である中国は、2030年までに再生可能エネルギーの目標を20％から35％に引き上げる予定だ。 中国の実用規模の太陽光発電施設では、ほとんどが薄膜技術を採用しています。 さらに、日本はさらに、持続可能な電力のみを使用する意向も表明しています。

8 高品質の薄膜太陽電池パネルについて考慮すべきこと

ソーラーパネルを購入するときは、価格と品質だけでなく、他の要素も考慮する必要があります。

l 効率： 効率が高いと、より多くの太陽エネルギーを電気に変換できます。 一般に、電荷キャリアの濃度が高くなると、導電率が増加して太陽電池の効率が向上します。 太陽電池に集光器を追加すると、効率が向上するだけでなく、セルの製造に必要なスペース、材料、コストも削減できます。

l 耐久性と寿命： 一部の薄膜モジュールには、さまざまな条件下での劣化の問題もあります。 すべての材料の中で、CdTe は温度による性能低下に対して最も優れた耐性を示します。 また、他の薄膜材料とは異なり、CdTe は温度や湿度などの環境条件に対してかなり耐性がある傾向がありますが、柔軟な CdTe パネルは、加えられた応力や歪みの下で性能が低下する可能性があります。

l 重量： 薄膜ソーラーパネルの密度を指します。 一般に、薄膜ソーラー パネルの重量は軽いため、屋根に自重がかかることを心配する必要はありません。 ただし、設置時に過負荷にならないように、重量を選択する際には考慮する必要があります。

l 温度： これは、薄膜ソーラーパネルが機能できる最低温度と最高温度を意味します。 一般に、最高の薄膜ソーラー パネルはすべて、最低温度が -40°C、最高温度が 80°C であると考えられています。