太陽電池薄膜セルを設計する新しい方法！ 3Dプリントブラケットは変換効率を向上させる

出典: 3Dサイエンスバレー

MaterialsViewsによると、深刻化するエネルギー・環境問題を解決するために、人々は新しいエネルギーの開発と利用に注目するようになったという。さまざまな新エネルギー技術の中で、太陽光発電は間違いなく最も有望な方向の一つです。従来のシリコンベースの太陽電池は工業化されており、比較的成熟した市場がありますが、コスト効率は従来のエネルギー源に匹敵できず、製造プロセスにおける汚染やエネルギー消費の問題が、その広範な応用に影響を与えています。そのため、高効率かつ低コストの新しい太陽電池の研究開発が必要です。数多くの新しい太陽電池の中でも、ペロブスカイト薄膜太陽電池は際立っており、多くの科学研究者の注目を集め、2013年の科学界の10大ブレークスルーの1つとして『サイエンス』誌に選ばれました。

ペロブスカイト薄膜太陽電池の分野で研究を行っているスタンフォード大学材料科学工学部の研究チームは、最先端のデバイスの破壊分析を通じて、ペロブスカイト活性層と隣接するキャリア選択接点の両方が機械的に脆弱であることを示しました。これは太陽電池の熱機械的信頼性と耐用年数に重大な影響を及ぼし、この太陽電池技術の成熟に対する主な障害にもなります。上記の問題に対処するため、スタンフォード大学の研究チームは、ペロブスカイト薄膜太陽電池、すなわち複合太陽電池 (CSC) を設計するための新しいアプローチを採用しました。複合太陽電池内部の足場は、これらの材料の固有の脆弱性に対処します。

最近、米国カリフォルニア州の3Dプリント新興企業T3DPは、特許取得済みの「体積3Dプリント技術」により、ペロブスカイト太陽電池に必要な内部ブラケットを製造できると発表した。このアプリケーションは、スタンフォード大学の複合太陽電池の設計に似ています。スタンフォード大学の複合太陽電池に関するアイデアは、3D プリントのアプリケーションを新しい領域に拡大するのに非常に役立ちます。

3D プリントされたバイオニックスキャフォールドによりペロブスカイト太陽電池の変換効率が向上<br /> スタンフォード大学の複合太陽電池研究チームは、研究結果を次のようにまとめています。内部サポートにより、従来のモノリシック平面太陽電池が、スケーラブルで機械的にシールドされた個々のペロブスカイトセルのアレイに効果的に分離され、各セルは周囲のサポートによって横方向にカプセル化され、前面と背面の電極を通じて並列に接続されます。

複合太陽電池は、破壊エネルギーが約 13 Jm-2 と大幅に増加しました。これは、平面デバイスに匹敵する効率を維持しながら、これまで報告された平面ペロブスカイト（約 0.4 Jm-2）の 30 倍の増加を表しています。注目すべきは、スキャフォールド内に形成されたマイクロバッテリーの効率が、面積調整ベースで平面デバイスの効率に匹敵することです。この開発は、c-Si、CIGS、CdTe太陽電池に比べて高い信頼性と寿命を実現する堅牢なペロブスカイト太陽電池を実証するための重要な一歩です。

T3DP は、上記の太陽電池と同様の設計アイデアを持つ 3D 印刷アプリケーションに取り組んでいます。この技術の主発明者であるダニエル・クラーク氏によれば、ペロブスカイトは超伝導特性を持つ酸化チタンカルシウム結晶であり、この材料は近年大きな注目を集めている。ペロブスカイト太陽電池は第3世代の太陽電池に属し、新概念の太陽電池とも呼ばれます。しかし、ペロブスカイトは脆いため、ペロブスカイト材料の製造は非常に困難です。ペロブスカイトは食卓塩に似ているため、所定の位置に保持して安定させる足場が必要です。

T3DP は、ハエの目からヒントを得て、太陽電池ブラケットを設計する際にバイオニックアプローチを採用しました。 3Dプリントされた銅メッキブラケットはハエの目の構造に似た六角形をしており、ブラケットを通じて電気を直接伝導できるため、真に分散化された太陽光発電設計が形成され、電気が並行して計画されます。
現在産業界で使用されている集中型ソーラーパネルは、クリスマスの電飾のように直列に配線されており、1 つの電球が消えると、セット全体が機能しなくなります。しかし、3D プリントブラケットを統合した太陽電池にはこの問題はありません。3D プリントブラケットの保護下で、各サブ領域は独立して個別に動作します。
太陽電池のサブ領域をこのように配置すると、同じ面積に 2 倍の太陽電池材料を使用できるため、太陽電池パネルの変換効率は 36% になります。 3D Science Valley の市場調査によると、このデザインはカリフォルニアを拠点とするスマートソーラーソリューションプロバイダーである Infinity Energy によって認められました。
T3DP の目標は、3D プリントされた六角形ブラケットを太陽電池の薄膜セルに統合することであり、成功すれば 50% の変換効率を達成できます。
出典: 3Dサイエンスバレー

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