デバイス小型化のための『技術的ブレークスルー』であるマイクロメトリック光起電力セル

持続可能なエネルギーソリューションがかつてないほど重要となっている時代に、持続可能なエネルギーソリューションの進化はイノベーションの最前線に立っています。最近の例として、オタワ大学（U of O）の研究チームが「裏面接触型マイクロメトリック光起電力セルの製造に世界初の成功を収めた」と発表しました。これは、エレクトロニクスの継続的な小型化を促進するための「重要なステップ」とされています。

• Mathieu de Lafontaine、U of Oのポストドクトラル研究者兼パートタイム物理学教授
• Karin Hinzer、工学部の副学部長・研究担当・エネルギー用光デバイスに関する大学研究チェア

U of Oがこのブレークスルーの中心である一方で、チームはケベック州のシェルブルック大学とフランス・グルノーブルのラボラトワール・デ・テクノロジーズ・ド・ラ・マイクロエレクトロニックからも支援を受けました。

光起電力セルとは何か？

光起電力セル（一般に太陽電池と呼ばれる）は、太陽光を直接電気に変換する装置です。光起電力効果の原理に基づき、光子がシリコンなどの半導体材料に当たることで電流が誘導されます。このプロセスは、光子が原子軌道から電子をはずし、電荷の流れを生み出すことで起こります。

これらのセルは太陽光パネルの基本的な構成要素であり、再生可能でクリーンな電力源として太陽エネルギーを活用する上で重要です。U of Oが開発したマイクロメトリック光起電力セルの最近の進歩は、技術における大きな飛躍を示し、より効率的でコンパクトなソリューションを提供します。

裏面接触型マイクロメトリック光起電力セルとは何か？

前述の通り、裏面接触型マイクロメトリック光起電力セルは太陽光技術における画期的な進歩を表しています。従来の太陽電池では電極が前面と背面に配置されますが、裏面接触型セルはすべての電極を背面に配置しています。

この独自の設計により、セル表面にある電極が引き起こす影（シャドウ）効果が大幅に低減され、太陽光の捕捉能力が向上します。

『シャドウイング』効果とは何か？

太陽電池における『シャドウイング』効果は、セル表面に電極が存在することによって太陽光が遮られる現象を指します。従来の光起電力セルは、上面に銀やアルミニウムなどの金属電極が配置され、生成された電流を収集・輸送します。

しかし、これらの電極は入射する太陽光の一部を遮断し、光起電力材料に届く光量を減少させます。この遮断により、光エネルギーから電気への変換に利用できる光が減少し、結果として太陽電池全体の効率が低下します。

出典： www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

このシャドウイング効果を低減することは、以下の複数の理由から重要です：

1. 効率の向上：電極が占める面積を最小化することで、セル表面のより多くが光吸収と電力変換に積極的に関与できるようになります。これによりセル全体の効率が向上し、同じ日照量でより多くの電力を生成できます。
2. コスト効果：効率が高まることで、同等のエネルギーを少ないセルで生産できるようになります。その結果、太陽光発電システム全体のコストが削減され、他のエネルギー形態と競争力が高まり、より多くのユーザーが利用しやすくなります。
3. 汎用性と設計の柔軟性：シャドウイングを低減することで、より革新的で柔軟な太陽電池設計が可能になります。これにより、効率が高いだけでなく、薄型・軽量なセルの開発が促進され、航空宇宙、携帯デバイス、統合型建築ソリューションなど、スペースや重量が制約となる用途に特に有益です。

シャドウイング効果の低減は、太陽光技術の進化に不可欠であり、現在は裏面接触型マイクロメトリック光起電力セルで対処されています。その結果、より効率的でコスト効果が高く、汎用性のある太陽電池が近い将来に実現し、持続可能な電力源としての太陽エネルギーの広範な普及に貢献することが期待されます。

小型化はなぜ重要か？

従来の光起電力セルにおけるシャドウイング効果を低減するだけでなく、裏面接触は小型化を大幅に向上させます。これは、電子機器や再生可能エネルギー技術の分野で、スペースと資源の効率的な利用と性能向上を実現するために極めて重要です。

これらのセルの「マイクロメトリック」な側面は、人間の髪の毛の約2倍の厚さで製造できることを意味します。その結果、U of Oが開発したこの小型で高効率な光起電力セルは、製造コストを最大で3倍削減できるとされています。

「この技術的ブレークスルーは社会に大きな利益をもたらすことが期待されています。コストが低く、より高出力の太陽電池はエネルギー転換を加速させるでしょう。」

「軽量な核電池は宇宙探査を促進し、デバイスの小型化はモノのインターネット（IoT）の成長に寄与し、より強力なコンピュータやスマートフォンの実現につながります」 – Mathieu de Lafontaine

興味深いことに、この小型化は単にデバイスを小さくすることだけでなく、より賢く、さまざまな環境に適応できるようにすることでもあります。IoTやスマート技術が普及しつつある世界において、ミニチュア化された光起電力セルは従来の電源に依存せずに多種多様なデバイスに電力を供給できる可能性があります。

この進歩は、より環境に優しい持続可能な電力生成と消費を促進し、カーボンニュートラル経済への転換に直接貢献します。

どこで使用されているか？

光起電力セルは、裏面接触製造のような技術革新により、用途がますます拡大しています。その汎用性と魅力は、クリーンで再生可能な方法で電力を生成できる点に大きく起因しています。

従来の発電に加えて、これらのセルは宇宙探査で使用される衛星や宇宙船の電源など、遠隔・携帯型電力システムの重要な構成要素でもあります。

セルの小型化により、より高密度な電子機器への応用が可能となり、通信やモノのインターネット（IoT）などの産業を変革する可能性があります。前述の通り、小型化は効率的でコンパクト、かつ汎用性の高い太陽光駆動ソリューションをもたらし、光起電力技術の適用範囲を広げます。

業界プレーヤー

現在、太陽光応用に焦点を当てた持続可能エネルギー分野の成長を支える注目すべき企業がいくつか存在します。以下はその一部と、その他の重要な企業です。

1.  NextEra Energy Resources

NEE 価格チャート

NextEra Energy (NEE ) ResourcesはNextEra Energyの子会社で、太陽エネルギー分野で顕著な進展を遂げています。2023年第1四半期には、約2,020MWの再生可能エネルギーと蓄電資産をバックログに追加し、そのうち約1.3GWが太陽光、残りが蓄電・風力資産でした。この追加により、プロジェクトバックログは20.4GWを超え、再生可能エネルギー・ポートフォリオの拡大への強いコミットメントが示されました。

注目すべきプロジェクトとして、ケンタッキー州ヘンダーソン郡にあるSebree Solar 400MW太陽光プロジェクトがあり、これはNextEra Energy Resourcesの子会社であるSebree Solarが開発しています。

さらに、NextEra Energy Resourcesは子会社のGreen River Solarを通じて別の200MW太陽光プロジェクトにも関与しています。これらの取り組みは、太陽エネルギーを主要な再生可能エネルギー市場のプレーヤーとして推進する同社のコミットメントを示しています。

2.  First Solar

FSLR 価格チャート

First Solar (FSLR ) は米国を拠点とするカドミウムテルル薄膜太陽光モジュールの大手企業で、2023年現在、太陽エネルギー分野で顕著な進展を示しています。売上高8億100万ドル、単一四半期で27億ワットの太陽光モジュール受注を出荷し、同社は強い成長と太陽技術への注力を示しています。需要増加に対応するため、First Solarは米国内外で製造能力を拡大し、2026年までに世界規模で25GWの生産能力を目指しています。

特筆すべきは、First Solarが業界初となる両面薄膜モジュールの製造に成功した点です。この革新的技術により、両面からのエネルギー取得と高いエネルギー収量が可能となり、太陽モジュール効率の大幅な向上が実現しました。

3.  SolarEdge Technologies

SEDG 価格チャート

SolarEdge Technologies (SEDG ) はスマートエネルギー技術のリーダーとして広く認識されています。同社は2023年に太陽エネルギー分野で大きな進展を遂げ、総収益9億4,390万ドル（うち太陽部門が9億850万ドル）という記録的な売上を達成しました。この実績はSolarEdgeの太陽産業における強固な存在感を示しています。2023年第1四半期だけで、SolarEdgeは3.6ギガワット（AC）のインバータと221MWhのバッテリーを出荷し、太陽エネルギー市場への重要な貢献を強調しています。

注目すべき言及

最終的な考察

裏面接触型マイクロメトリックセルの開発を通じた光起電力セル技術の進歩は、太陽エネルギーにおける潜在的な量子的飛躍を示しています。このイノベーションは、太陽光発電の効率向上とコスト削減を実現するだけでなく、さまざまなセクターへの応用の新たな地平を切り開きます。シャドウイング効果の低減と小型化への注力は、太陽エネルギーを再生可能エネルギー源の最前線へと押し上げる鍵となります。

これらの技術的進歩を受け入れることで、持続可能でクリーンなエネルギーが広く普及する未来に、私たちはますます近づいています。