出典：www.energy.gov
太陽電池とも呼ばれる光起電（PV）セルに光が当たると、その光は反射、吸収、またはセルを直接通過する可能性があります。 PVセルは半導体材料で構成されています。 「半」とは、絶縁体よりも電気を通すことができるが、金属のような優れた導体ほどではないことを意味します。 PVセルで使用されるいくつかの異なる半導体材料があります。
半導体が光にさらされると、光のエネルギーを吸収し、電子と呼ばれる材料内の負に帯電した粒子に移動します。 この余分なエネルギーにより、電子は電流として材料を流れることができます。 この電流は、導電性の金属接点（太陽電池のグリッド状の線）から抽出され、家やその他の送電網に電力を供給するために使用できます。
PVセルの効率は、単にセルから出てくる電力の量と、それに当たる光からのエネルギーとの比較です。これは、セルがエネルギーをある形式から別の形式に変換するのにどれほど効果的かを示します。 太陽電池から生成される電気の量は、利用可能な光の特性（強度や波長など）とセルの複数の性能属性によって異なります。
PV半導体の重要な特性はバンドギャップです。これは、材料が吸収して電気エネルギーに変換できる光の波長を示します。 半導体のバンドギャップがPVセルを照らす光の波長と一致する場合、そのセルは利用可能なすべてのエネルギーを効率的に利用できます。
太陽電池に最も一般的に使用されている半導体材料については、以下をご覧ください。
ケイ素
シリコンは、太陽電池で使用される最も一般的な半導体材料であり、現在販売されているモジュールの約95％を占めています。 また、地球上で2番目に豊富な材料（酸素に次ぐ）であり、コンピューターチップで使用される最も一般的な半導体です。 結晶シリコンセルは、結晶格子を形成するために互いに接続されたシリコン原子でできています。 この格子は、光から電気への変換をより効率的にする組織化された構造を提供します。
シリコン製の太陽電池は、現在、高効率、低コスト、長寿命の組み合わせを提供しています。 モジュールは25年以上持続すると予想され、この後も元の電力の80％以上を生成します。
薄膜太陽光発電
薄膜太陽電池は、ガラス、プラスチック、金属などの支持材料上にPV材料の1つまたは複数の薄層を堆積することによって作成されます。 現在市場に出回っている薄膜PV半導体には、テルル化カドミウム（CdTe）とセレン化銅インジウムガリウム（CIGS）の2つの主要なタイプがあります。 どちらの材料も、モジュール表面の前面または背面に直接堆積できます。
CdTeはシリコンに次いで2番目に一般的なPV材料であり、CdTeセルは低コストの製造プロセスを使用して製造できます。 これはそれらを費用効果の高い代替物にしますが、それらの効率はまだ&＃39;シリコンほど高くはありません。 CIGSセルは、PV材料に最適な特性とラボでの高効率を備えていますが、4つの要素の組み合わせに伴う複雑さにより、ラボから製造への移行がより困難になっています。 CdTeとCIGSはどちらも、屋外での長時間の操作を可能にするために、シリコンよりも多くの保護を必要とします。
ペロブスカイト太陽光発電
ペロフスキーテソーラー細胞は薄膜細胞の一種であり、その特徴的な結晶構造にちなんで名付けられています。 ペロブスカイトセルは、下にある支持層に印刷、コーティング、または真空蒸着された材料の層で構築されています。基板。それらは通常、組み立てが簡単で、結晶シリコンと同様の効率に達することができます。 ラボでは、ペロブスカイト太陽電池の効率が他のどのPV材料よりも速く改善され、2009年の3％から2020年には25％以上になりました。商業的に実行可能であるためには、ペロブスカイト太陽電池は屋外で20年間生き残るのに十分安定している必要があります。それらをより耐久性のあるものにし、大規模で低コストの製造技術の開発に取り組んでいます。
有機太陽電池
有機PV（OPV）セルは、炭素が豊富な（有機）化合物で構成されており、バンドギャップ、透明度、色など、PVセルの特定の機能を強化するように調整できます。 OPVセルは現在、結晶シリコンセルの約半分の効率であり、動作寿命は短いですが、大量に製造する方が安価である可能性があります。 また、柔軟なプラスチックなどのさまざまな支持材料に適用できるため、OPVはさまざまな用途に使用できます。
量子ドット
量子ドット太陽電池は、量子ドットと呼ばれる、幅がわずか数ナノメートルのさまざまな半導体材料の小さな粒子を介して電気を伝導します。 量子ドットは、半導体材料を処理するための新しい方法を提供しますが、それらの間に電気的接続を作成することは困難であるため、現在、それらはあまり効率的ではありません。 しかし、それらは太陽電池に簡単に作ることができます。 それらは、スピンコート法、スプレー、または新聞の印刷に使用されるようなロールツーロールプリンターを使用して基板上に堆積させることができます。
量子ドットにはさまざまなサイズがあり、バンドギャップはカスタマイズ可能であるため、捕捉が困難な光を収集し、ペロブスカイトなどの他の半導体と組み合わせて、多接合太陽電池の性能を最適化できます（以下で詳しく説明します）。
多接合太陽電池
PVセルの効率を改善する別の戦略は、複数の半導体を層状にして多接合太陽電池を作ることです。 これらのセルは、半導体が1つしかない単一接合セルとは対照的に、本質的に異なる半導体材料のスタックです。 各層には異なるバンドギャップがあるため、それぞれが太陽スペクトルの異なる部分を吸収し、単一接合セルよりも太陽光をより多く利用します。 多接合太陽電池は、最初の半導体層に吸収されない光がその下の層に捕捉されるため、記録的な効率レベルに達することができます。
複数のバンドギャップを持つすべての太陽電池は多接合太陽電池ですが、正確に2つのバンドギャップを持つ太陽電池はタンデム太陽電池と呼ばれます。 周期表のIII列とV列の半導体を組み合わせた多接合太陽電池は、多接合III-V太陽電池と呼ばれます。
多接合太陽電池は45％を超える効率を示していますが、コストがかかり、製造が難しいため、宇宙探査用に予約されています。 軍はドローンにIII-V太陽電池を使用しており、研究者は高効率が鍵となる他の用途を模索しています。
濃度太陽光発電
CPVとしても知られる濃度PVは、ミラーまたはレンズを使用して太陽光を太陽電池に集束させます。 太陽光を小さな領域に集中させることにより、必要なPV材料が少なくなります。 光がより集中するにつれてPV材料はより効率的になるため、CPVセルとモジュールで最高の全体的な効率が得られます。 ただし、より高価な材料、製造技術、および太陽の動きを追跡する機能が必要であるため、今日&＃39;の大量のシリコンモジュールに比べて必要なコスト優位性を実証することは困難になっています。
