トマトの色素がソーラーパネルの効率向上の鍵となる可能性がある

シン・ジョンホ/iStock

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太陽光発電の主な欠点の 1 つは、ソーラー パネルの効率が異なることにあります。

「ソーラーパネル効率」および「太陽電池効率」という用語は、各太陽光発電技術が使用可能なエネルギーに変換できる太陽光の量を指します。

通常、太陽電池の効率は 15% ～ 22% の範囲ですが、配置、天候、その他の自然条件、および使用する太陽光発電システムの種類によって異なります。

ウィキメディア・コモンズ/マーク・バッカウィッキー

しかし、ここ数年、太陽光発電技術の必要な進歩がその数字を上げるのに役立っています。

2022 年、この分野で最も驚くべき発見の 1 つは、トマトを赤くする色素であるリコピンがペロブスカイトベースの太陽電池の効率を 20.57 パーセントから 23.62 パーセントに高めることを発見した中国の研究者チームによるものとされています。

いくつかの種類のソーラーパネルは他のものよりも優れた性能を発揮します。

現在、ほとんどの商用ソーラーパネル (約 90%) はシリコンベースです。これは、最長 25 年間耐久し、多くのメンテナンスを必要としないため、比較的費用対効果の高いオプションであるためです。

ただし、効率が 20 ～ 25% を超えることはほとんどありません。

シリコンベースのソーラーパネルにはいくつかの種類があります。

アモルファスシリコンソーラーパネル。市場で最も安価な代替品の 1 つであるこの種のソーラー パネルには、半導体材料として機能するアモルファス シリコン (a-Si) と呼ばれる非結晶形態のシリコンの薄膜が含まれています。 太陽電池の効率はおよそ 6% ～ 13% です。

多結晶シリコンソーラーパネル。これらのソーラーパネルには、高純度の多結晶シリコンの破片が含まれており、一緒に溶かされて薄いスライスになり、太陽電池を形成します。

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これらのシリコンベースのソーラーパネルには多くの結晶が含まれているため、電子が結晶を通過するのが難しくなります。 したがって、このタイプのソーラー パネルの効率は通常約 13% ～ 16% です。

単結晶シリコンソーラーパネル。これらのソーラーパネルはウェーハ状に構成された純粋な単結晶シリコンで構成されており、色は濃い黒色で、効率は約 17 ～ 24 パーセントです。 ただし、その製造は複雑で高価になる可能性があります。

アメリカ太陽エネルギー協会

次に、光吸収層としてペロブスカイト構造の化合物で作られたペロブスカイト太陽電池パネルがあります。 これらはチタン酸カルシウムの結晶構造に基づいた化合物であり、さまざまなカチオン（正に荷電したイオン）を埋め込むことができます。

ハロゲン化鉛ペロブスカイトを使用して作られたペロブスカイト太陽電池パネルは、低コストでシリコンベースの太陽電池パネルよりも効率的です（効率は約25パーセント）。 ただし、湿気、熱、光、その他の要因によって簡単に劣化します。

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これらのソーラーパネルは寿命が短いため、現在市場での競争力がありません。 それでも、パネルの他の特性は有望であり、科学者たちはパネルの安定性、耐久性、効率を向上させる新しい方法の探索を諦めていません。

そこで登場するのが「トマトの色素」リコピンです。

リコピンは天然の抗酸化物質です。 そのため、フリーラジカルの原因となる化学反応である酸化を抑制します。

フリーラジカルは、不均一な数の電子を持つイオン、原子、または分子です。 これによりそれらは不安定になり、DNA を変化させる反応が活性化され、生体に細胞損傷が生じる可能性があります。

リコピンは、太陽の紫外線によって生成されるフリーラジカルに結合し、フリーラジカルをより安定させます。 このようにして、色素は皮膚組織の細胞損傷を軽減し、トマトや他の赤い果物を紫外線から守ります。

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これを知った中国の研究者らは、リコピンが紫外線によるペロブスカイト太陽電池パネルの劣化を軽減し、耐久性を高めることができるのではないかと仮説を立てた。

しかし、テストの後、リコピンが粒界（多結晶材料の2つの粒子または微結晶の間の界面）を不動態化し、結晶性と透明性を改善し、電子トラップの密度を減少させ、全体として内部の電気の流れを強化することが判明した。ソーラーパネルの効率も向上します。

しかし、科学者たちがペロブスカイト太陽電池パネルの効率向上に成功したのはこれが初めてではない。

2021年4月、香港城市大学のチームは、1951年にデュケイン大学で最初に調製された鉄ベースの有機金属化合物であるフェロセンをペロブスカイト太陽電池に添加し、その効率を25パーセントに高め、同時に、法によって定められた安定性テストにも合格した。国際電気標準会議。

同年9月、オランダの研究者らは、シリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池の混合物を使用し、（シリコン太陽電池を介して）可視光と赤外スペクトルから電力を抽出する4ピンのペロブスカイト-シリコンタンデムデバイスを作成しました。紫外スペクトル（ペロブスカイト太陽電池による）。 このデバイスは 30.1 パーセントの効率を達成しました。

シリコンベースのソーラーパネルに関しては、効率を向上させる 1 つの方法は、ペロブスカイトまたは他の光吸収材料 (酸化シリコンなど) の薄層を追加することです。 もう1つの方法は、ソーラーパネルの近くにミラー反射板を特定の角度で配置して、より多くの太陽光を吸収できるようにすることです。

さらに、フレネルレンズは、受け取った太陽光を文字通り太陽電池に集中させるソーラーパネルを構築するための太陽光集光器として使用できます。

上記の手法とは別に、ソーラー パネルの効率は次の影響を受ける可能性があります。

気象条件。熱によりソーラーパネルの電圧出力が低下するため、高温は太陽光発電にとって問題となります。 雲がかかると太陽光パネルが受ける直射日光が減少し、大雪が降ると太陽電池パネルが完全に遮られる可能性があります。

フリッカー/S. マックス・クロッペル

向きと角度。効率を高めるには、ソーラーパネルをできるだけ太陽にさらす必要があります。 北半球では南を向き、南半球では北を向く必要がありますが、これは固定された向きが理想的であるという意味ではありません。 太陽の動きを追跡する装置の使用をお勧めします。

シェーディング。日陰があると、ソーラーパネルの効率が半分以上低下する可能性があります。 あらゆる種類のソーラーパネルは、高い木やその他の影を作る物体から離して設置した場合、および/または太陽電池と並列に配線されたバイパスダイオードが付いている場合に、より効果的に機能します。

メンテナンス。時間の経過とともに、ほこりや破片がソーラーパネルに蓄積し、性能が低下します。 雨によって汚れが洗い流されることが多いため、ソーラーパネルのメンテナンスはほとんど必要ありませんが、最高の効率で動作するにはソーラーパネルを清潔に保つ必要があるのは事実です。

日射量レベル。 「日射量」とは、時間の経過に伴う単位面積当たりの太陽光のエネルギーを指します。 ソーラーパネルの位置に応じた日射量の地域的な変動は、NASA の Power Data Access Viewer で確認できます。