GiPV: 部分的に透明な太陽電池モジュールを備えた建物一体型太陽光発電 – 建物一体型太陽光発電

建物一体型太陽光発電 - GiPV (建物一体型太陽光発電 - BIPV) は、屋根、天窓、ファサードなどの建物外壁の一部で従来の建築材料を置き換える太陽光発電材料です。 これらは主電源または二次電源として新しい建物の建設に組み込まれることが増えていますが、既存の建物も同様の技術で改修することができます。 通常の非統合型システムに対する統合型太陽光発電の利点は、BIPV モジュールに置き換わる建物の一部を建設するために通常必要とされる建設資材や労働力への支出を削減することで、初期コストを相殺できることです。 さらに、BIPV を使用すると、建物の美観が懸念され、従来のラックマウント型ソーラー パネルでは建物の意図した外観が損なわれる場合に、太陽光発電設備を広く採用することができます。

建物一体型太陽光発電の BAPV (建物適用太陽光発電) という用語は、その後建物に組み込まれる太陽光発電システムを指す場合があります。 ほとんどの建物統合システムは実際には BAPV です。 一部のメーカーや建設業者は、新しい建物の BIPV と BAPV を区別しています。

建物向けの PV アプリケーションは 1970 年代に登場しました。 アルミニウムフレームの太陽光発電パネルは、通常、送電網にアクセスできない遠隔地に位置する建物に接続または取り付けられていました。 1980 年代に、太陽光発電モジュールが屋根に設置され始めました。 これらの PV システムは通常、電力網に接続され、集中発電所のある地域にある建物に設置されました。 1990 年代に、建築外壁に統合されるように特別に設計された BIPV 建築製品が市販されるようになりました。 パトリナ・アイフェルトによる 1998 年の博士論文「BIPV の経済的評価」では、再生可能エネルギークレジット (REC) の取引に経済的価値が生まれる日が来るとの仮説を立てています。 米国国立再生可能エネルギー研究所による 2011 年の経済評価と BIPV の歴史の簡単なレビューでは、BIPV の設置コストが太陽光発電システムのコストと競合できるようになるまでには、克服すべき重大な技術的課題がまだあることが示唆されています。 しかし、BIPV システムはその広範な商業化を通じて、2020 年までに欧州のゼロエネルギービルディング (ZEB) 目標の根幹を形成するというコンセンサスが高まっています。 有望な技術的可能性にもかかわらず、建設業界の保守的な文化や高密度都市計画への統合など、普及に対する社会的障壁も明らかになりました。 著者らは、長期使用は技術開発と同じくらい効果的な政策決定に依存する可能性が高いと指摘している。

部分的に透明な太陽電池モジュールは、建築一体型太陽光発電 (BIPV) を建築や都市計画に統合する興味深い機会を提供します。 この新しいタイプの太陽エネルギー生成は、将来的には世界中の電力生産の重要な部分となる可能性が最も高くなります。

部分的に透明な太陽電池モジュールを備えた建物一体型太陽光発電は、エネルギー効率の高い建物を建設するための魅力的な選択肢です。 この技術は、建物の外観を改善しながら、エネルギー供給コストを削減するのに役立ちます。

さらに、半透明のソーラーモジュールを使用して、日光を建物の内部に導くことができます。 これにより、エネルギーが節約されるだけでなく、人工照明のコストも削減されます。

要約すると、建物一体型太陽光発電は非常に効率的で多用途なタイプの再生可能エネルギーであると言えます。 建物のエネルギー供給を持続的に改善できる可能性があります。

地上および屋上発電所用の結晶シリコン製太陽電池モジュール。

アモルファス結晶シリコン薄膜太陽光発電モジュールは、ガラスのファサードや透明な天窓として、中空、軽量、赤、青、黄色にすることができます。

フレキシブルモジュール上の CIGS ベース (銅、インジウム、ガリウム、セレン化物) 薄膜セルが建築外壁要素に積層されるか、CIGS セルが建築外壁基板に直接取り付けられます。

内部に正方形のセルを備えた二重ガラスのソーラーパネル。

陸屋根

現在までに最も広く使用されている解決策は、フレキシブルポリマーモジュールに組み込まれたアモルファス薄膜太陽電池であり、太陽電池モジュールの背面フィルムと屋根の防水材の間に接着フィルムで固定されています。 米国の企業は、セレン化銅インジウムガリウム (CIGS) 技術を使用して、単層 TPO 膜の組み込みモジュールのセル効率 17% を達成できました。

傾斜屋根

ソーラー屋根瓦は、ソーラーモジュールが組み込まれた（セラミック）屋根瓦です。 セラミックソーラー屋根瓦は、2013年にオランダの企業によって開発され、特許を取得した。

複数の屋根瓦のような形をしたモジュール。

ソーラー屋根板は、見た目も機能も通常の屋根板と同じですが、柔軟な薄膜セルを備えたパネルです。

断熱材と膜を紫外線や水による損傷から保護することで、屋根の通常の寿命を延ばします。 露点が屋根膜よりも高く保たれるため、結露も防止されます。

現在、金属製の傾斜屋根 (構造的および建築的) には、自立型フレキシブル モジュールを接着するか、CIGS セルを基板に直接熱および真空シールすることによって、PV 機能が装備されています。

ファサード

ファサードは既存の建物に取り付けることができ、古い建物にまったく新しい外観を与えることができます。 これらのモジュールは、既存の構造の上から建物のファサードに取り付けられるため、建物の魅力と再販価値を高めることができます。

ガラス

太陽光発電窓は、通常はガラスまたは同様の材料で作られる以下のような多くの建築要素を置き換えることができる（半）透明なモジュールです。 B. 窓と天窓。 電気エネルギーを生み出すだけでなく、優れた断熱性と日射制御により、さらなる省エネルギーを実現します。

太陽光発電ガラス窓: 住宅用および商業用建物へのエネルギー生成技術の統合により、最終製品の全体的な美観をより重視するさらなる研究分野が開かれました。 高効率を達成することが目標であることに変わりはありませんが、太陽光発電窓の新たな開発は、消費者に最適なレベルのガラスの透明性やさまざまな色から選択できる機能を提供することも目的としています。 より広いスペクトルから特定の波長範囲を最適に吸収するように、さまざまな色のソーラーパネルを設計できます。 着色太陽電池ガラスは、半透明のペロブスカイト太陽電池と色素増感太陽電池を使用して開発に成功しました。

• 色光を吸収および反射するプラズモニック太陽電池は、ファブリ・ペロー・エタロン技術を使用して開発されました。 これらのセルは、「2 つの平行な反射金属膜とそれらの間の誘電体キャビティ膜」で構成されています。 2 つの電極は Ag で作られ、それらの間の空洞は Sb2O3 で作られています。 誘電体キャビティの厚さと屈折率を変更すると、最もよく吸収される波長が変わります。 吸収層ガラスの色を、セルの厚さと屈折率が最もよく一致するスペクトルの特定の部分に一致させると、色が強調され、光電流損失が最小限に抑えられるため、セルの美観が向上します。 赤色光デバイスと青色光デバイスでは、それぞれ 34.7% と 24.6% の透過率が達成されました。 青色のデバイスは吸収された光の 13.3% を電気に変換でき、開発およびテストされたすべての色のデバイスの中で最も効率的です。
• ペロブスカイト太陽電池技術は、金属ナノワイヤの厚さをそれぞれ 8、20、45 nm に変えることで、赤、緑、青に調整できます。 ガラスの反射率を各セルに最適な波長に調整することで、10.12%、8.17%、7.72% の最大電力効率が達成されました。
• 染料太陽電池は液体電解質を使用して光を捕捉し、使用可能なエネルギーに変換します。 これは、天然色素が植物の光合成を可能にするのと同様の方法で起こります。 クロロフィルは葉の緑色の原因となる特定の色素ですが、カロテノイドやアントシアニンなどの他の天然色素もオレンジ色や紫色のバリエーションを生み出します。 コンセプシオン大学の研究者らは、特定の波長の光を出現させ、選択的に吸収する色素増感カラー太陽電池の実現可能性を実証した。 この費用対効果の高いソリューションは、増感剤としてマキ フルーツ、クロマートル、ほうれん草からの天然色素を使用しています。 これらの天然増感剤は、2 層の透明なガラスの間に配置されます。 これらの特に低コストのセルの効率はまだ不明ですが、有機色素セルの分野における以前の研究では「9.8%の高い電力変換効率」を達成することができました。

透明な太陽電池は、ガラス板の内側に酸化スズコーティングを使用して、電池の外に電気を伝導します。 セルには光電色素でコーティングされた酸化チタンが含まれています。

従来の太陽電池のほとんどは、可視光と赤外光を使用して発電します。 対照的に、革新的な新しい太陽電池も紫外線を使用します。 従来の窓ガラスの代替として使用したり、ガラスの上に設置したりすることで設置面積が広くなり、発電・照明・温度制御などの機能を組み合わせた用途が期待できます。

透明な太陽光発電の別名は「半透明太陽光発電」です（当たる光の半分だけを通過させます）。 無機太陽光発電と同様に、有機太陽光発電も半透明にすることができます。

波長選択性なし

一部の非波長選択性太陽光発電システムは、不透明な太陽電池の空間分割によって半透明を実現します。 この方法では、任意の不透明な太陽電池を使用し、透明な基板上にいくつかの小さなセルを配置します。 この分割により、エネルギー変換効率が大幅に低下し、伝送が増加します。

非波長選択性太陽光発電の別の分野では、厚さが薄いか、光を通過させるのに十分な大きなバンドギャップを備えた、目に見えて吸収する薄膜半導体を利用します。 これらにより、空間的にセグメント化された不透明な太陽電池と同様の効率と透過率との間の直接のトレードオフを伴う半透明の太陽光発電が得られる。

非波長選択性太陽光発電の別の分野では、光を透過させる薄い厚さまたは十分に大きなバンドギャップを備えた、目に見えて吸収する薄膜半導体を使用します。 これにより、空間的にセグメント化された不透明な太陽電池と同様に、効率と透過率との間で直接的な妥協を伴う半透明の太陽光発電が実現する。

波長選択性太陽光発電

波長選択型太陽光発電は、UV および/または NIR 光のみを吸収する材料を使用することで透明性を実現し、2011 年に初めて導入されました。 透過率が高いにもかかわらず、多くの問題によりエネルギー変換効率は低くなります。 これらには、短い励起子拡散長、効率を損なうことなく透明電極をスケーリングできること、一般に TPV で使用される有機材料の不安定性による全体の寿命が含まれます。

透明および半透明の太陽光発電のイノベーション

可視スペクトルを吸収する非常に薄い活性層を備えた非波長選択性の半透明有機太陽光発電を開発する初期の試みでは、1%未満の効率しか達成できませんでした。 しかし、2011年に、有機クロロアルミニウムフタロシアニンドナー（ClAlPc）とフラーレンアクセプターを備えた透明な有機太陽光発電は、紫外および近赤外（NIR）スペクトルでの吸収を示し、効率は約1.3％、可視光透過率は65％を超えました。 2017年、MITの研究者らは有機太陽電池上に透明なグラフェン電極を成膜することに成功した方法を開発し、その結果、可視光線透過率は61%、効率は2.8～4.1%向上した。

ペロブスカイト太陽電池は、効率が 25% を超える次世代太陽光発電として非常に人気があり、透明太陽光発電としても有望です。 2015年、メチルアンモニウム三ヨウ化鉛ペロブスカイトと銀ナノワイヤグリッド上部電極を用いた半透明ペロブスカイト太陽電池は、波長800nmで79%の透過率と約12.7%の効率を実証した。