ソーラーパネルの表面を「単純な模様」にするだけで、光の吸収量が2倍になる! より発電効率の良いモデル生産へ前進

光吸収量を2倍以上にするソーラーパネルデザイン
光吸収量を2倍以上にするソーラーパネルデザイン / Credit: Davide Zecca
reference: sciencealert

石炭などの資源は有限かつ環境汚染の問題があるため、よりクリーンで持続性のある太陽光が注目されてきました。

そんな中、イギリス・ヨーク大学の太陽光発電研究者であるクリスチャン・S・シュスター氏ら研究チームは、10月8日付けで科学誌『Optica』に、新しいソーラーパネルの表面構造を発表しました。

彼らによると、ソーラーパネルの表面を単純な模様にするだけで、光の吸収量が2倍以上になるとのこと。

太陽光発電の効率を上げるには?

ソーラーパネルの普及には効率上昇が不可欠
ソーラーパネルの普及には効率上昇が不可欠 / Credit:depositphotos

太陽の利用は、資源とエネルギー、環境の問題を解決するための重要な手段です。そのため、より効率的な太陽光発電の研究が進められてきました。

ちなみにこの効率には、ソーラーパネルの薄さを追求することも含まれます。ソーラーパネルに必要なシリコン製造には多くのエネルギーを消費するからです。

つまりより薄く、より軽く、より柔軟で効率的なソーラーパネルが求められてきたのです。

こうした背景にあって、科学者たちは、夜間でも発電できる「アンチソーラーパネル」や「藻類を利用した集光技術」、さらには「透明なソーラーパネル」などを開発してきました。

また多くの研究機関はソーラーパネルの表面構造に調整を加えることで、太陽光の吸収率を上げようともしてきました。

表面構造で吸収率を上げる
表面構造で吸収率を上げる / Credit:京セラソーラーFC

以前から採用されてきた方法に、「ソーラーパネルの表面構造に凹凸層をつくる」というものがあります。凹凸によって光の反射をコントロールし、光の吸収率を上げるのです。

この表面構造のバラエティに注目したのが、シュスター氏らの研究チームです。彼らはいくつかの凹凸模様の集光率を調査し、模様によって太陽光発電の効率が上昇するか確かめました。

シンプルな模様にするだけで、光の吸収率が2倍以上になる

研究チームはわずか1μmの厚さの結晶シリコンによる6種類のソーラーパネルをシミュレートし、それぞれの性能を比較しました。

テストされたソーラーパネル模様
テストされたソーラーパネル模様 / Credit:Christian S. Schuster

用意したのは、次の異なった模様構造です。

  • (a)grating lines:いわゆる格子模様。これまでにも作られており、わずかな効率上昇しか得られていませんでした。
  • (b)crossed lines:ラインを交差させたような模様。
  • (c)checkerboard:格子模様を正方形に切り取り、交互に並べた模様。
  • (d)pentagon:格子模様を五角形に切り取り、並べた模様。
  • (e)farrago:「寄せ集め・ごた混ぜ」という名前の通り、かなり複雑に格子模様を切り取り並べたもの。
  • (f)QR supercell:QRコードのように小さなドットが集まった模様。

テストの結果、(c)checkerboardが、他のセルに比べてより多くの電流を発生させると判明。模様の無い従来のソーラーパネルと比較して発生電流が125%も増加したのです。

checkerboard模様は光の吸収率を2倍以上にする
checkerboard模様は光の吸収率を2倍以上にする / Credit:Christian S. Schuster

ちなみに、このcheckerboard模様では、凹部でより多くの光を吸収するとのこと。

これまでにも複雑で洗練されたデザインのソーラーパネルが開発されてきましたが、今回の研究によって表面構造を単純な模様にするだけで、それらに匹敵する光吸収率が得られると判明したのです。

しかもこの模様は非常に単純なため、製造が容易であり、他の複雑なソーラーパネルパターンよりも頑丈かもしれないとのこと。

新しいソーラーパネルの構造。1μmの厚さ
新しいソーラーパネルの構造。1μmの厚さ / Credit:Christian S. Schuster

さらに研究チームはcheckerboard模様型の薄いソーラーパネルを製造するなら、セル製造に使用する資源の費用対効果が10倍になるとも考えています。

シュスター氏によると、「原理的には、同じ量の材料で、10倍の太陽発電が可能になります」とのこと。

この非常に効率的な新しいデザインは太陽光発電の普及を推し進めるものとなり、将来的にはエネルギー問題や環境問題の解決に大きく役立っていくことでしょう。

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