太陽電池に関する疑問

質問

• 単結合から二重結合になると電子が流れ、また三重結合の時も流れるということを知りましたが、なぜ三重結合は不安定なのでしょうか？
• 宇宙での太陽光の波長がフラットの場合の太陽光発電（単色のみに対応しているパネルを用いて）をする時の最適の波長はどこになるのか？
• グレッツェルさんは色素型にはTiO2が最適と見つけましたが、なぜ他の物質ではないのか？

回答No.3

inara1

＞実際のパネルでも太陽光を直接ではなく、光を分けて使った方が効率がもの凄く上がるはずなのに、なぜそうしないのでしょうか？
まだ研究段階ですが、そういうパネルが実際に作られています（英語です　http://www.udel.edu/iec/Publications/DARPA_22nd_EUPVSEC.pdf）。太陽光をダイクロックミラーで色分離（分光）して、バンドギャップエネルギーが異なる半導体からなるパネルを並べたものに照射することで、太陽光スペクトル全体を有効利用できるので、これまでの太陽電池で報告されているエネルギー変換効率で最も高い値（42.9%）が報告されています。ただし、このような方式は、集光や色分離の構造が必要ですし、太陽光を追尾する必要もあるのでかなりコスト高になります。面積あたりの発電量ではSiに勝りますが、発電量あたりのコストはSiよりはるかに高くつきます。

バンドギャップエネルギーが違う半導体からなる発電パネルを別々に並べるのでなく、積層して面積が大きくならないようにしたパネルも試作されています（これは人工衛星用に使われているようです）。短波長を吸収する層（Egの大きな半導体）を一番上にし、一番下には長波長を吸収する層（Egの小さな半導体）を配置することで、同じ面積のSi太陽電池よりも多くの発電量が得られます。このような太陽電池をタンデム型といいます（5ページ　http://ee.shinshu-u.ac.jp/~e-device/lecture/optoelectronics-B/optoelectronics2008-11.pdf）。これは外見上は１枚のパネルですから、上の分光方式のような大掛かりな構造は必要ありません。欠点は、材料が化合物半導体なので大きな面積のものが作れないこと、面積あたりの価格が非常に高いことです。そのため、コストは高くてもいいから、限られた面積で発電量を多くしたいという用途（宇宙用）でしか使われていません。

＞入射スペクトルの幅はその色素の波長に合わせると良いということですが、これはその色素の吸収スペクトルとは関係なしに言えるのでしょうか？
色素の吸収スペクトルの形にもちろん依存します。波長によって吸収係数が小さくなると入射した光子は100%利用されなくなるので変換効率は下がります。前の回答では量子効率を100%としましたが、量子効率が波長によって変わるとすれば変換効率が計算できます。

＞理想の波長のところに、吸収することができる波長がなければ発電することができないと思うのですが・・・。
色素については素人なのですが、いろいろな吸収波長を持つ色素を使えば、上のタンデム型のように、太陽光スペクトルを有効に使ったパネルはできると思います（実際タンデム型の色素増感太陽電池というのが研究されています）。

お礼

回答有難うございます。
タンデムは知っていたのですが、分光+集光は知りませんでした。
コスト高になると書いてあるのですが、
単純な集光型はパネル面積が減り、コストを抑えられると聞きました。
ということは、分光がとてもコストがかかるということなのでしょうか？
コスト高になると書いてあるので、そうなのでしょうけど・・・。
プリズムのように簡単に分けれるような話しではないのですね。

また、入射光なんですが、太陽光の波長を考える時は、最小0から最大2500ｎmですか？

色素の場合は、吸収波長と色素自身の波長の二つを考えながらということですね。