ソーラーパネルに使用される化学物質とは？

環境問題への関心が高まる中、再生可能エネルギーの研究が重要になっています。米国エネルギー情報局（EIA）によると、米国で消費されるエネルギーのごく一部しか太陽エネルギーが占めていませんが、太陽光発電の利用は徐々に拡大しています。

太陽エネルギー技術は大きく分けて太陽熱エネルギー（STE）と光伏（PV）エネルギーの2種類があります。特に光伏は、半導体材料を用いて太陽光を直接電気に変換します。2010年時点で、PVパネルに使用されている半導体材料はごく限られた化学物質に限られています。

シリコン

最も一般的な元素の一つであるシリコン（Si）は、初期の光伏デバイスに利用されました。現在でも、シリコンは太陽光パネルで最も広く使われている半導体材料です。単結晶シリコンは高純度の溶融シリコンから結晶種を用いて成長させたもので、効率は最高ですが製造コストが高くなります。多結晶シリコンは製造コストが低く、効率はやや劣りますが大量生産に適しています。アモルファスシリコンは非結晶構造で、安定性は低いものの、製造コストが安価で計算機などに利用されています。

ガリウム砒素（GaAs）

ガリウム砒素はガリウムと砒素からなる化合物で、近年は高効率の光伏セルに使用されています。単結晶薄膜として用いると、シリコンセルの数分の一の厚さでも同等の光エネルギーを吸収できます。また、耐放射線性に優れ、劣化が少ない点も特徴です。しかし、ガリウムは金よりも希少でコストが高いため、実用化の障壁となっています。

ポリ結晶薄膜

ポリ結晶薄膜はシリコンよりも光吸収率が高く、主に銅インジウムジスルフィド（CuInSe₂）またはカドミウムテルル（CdTe）で構成されます。銅インジウムジスルフィド膜にはバンドギャップを広げるために少量のガリウムが添加されることがあります。カドミウムテルルは太陽光吸収に最適なバンドギャップを持ちます。これらの薄膜には、カドミウム硫化物（CdS）や亜鉛（Zn）といった添加剤が使われることもあります。現在は研究段階が中心ですが、デラウェア大学エネルギー変換研究所は「大規模な光伏エネルギー変換に最も有望な候補」と評価しています。