GiPV: 半透明の太陽電池モジュールを備えた建物一体型太陽光発電システム

建物一体型太陽光発電（BIPV）とは、屋根、天窓、ファサードなど、建物の外装の一部に従来の建材を置き換える太陽光発電材料を指します。BIPVは、主要な電源または補助電源として新築建物への導入がますます進んでおり、既存の建物にも同様の技術を後付けすることができます。従来の非一体型システムと比較した一体型太陽光発電の利点は、BIPVモジュールが置き換える部分の建設に通常必要となる建材費と人件費を削減することで、初期費用を相殺できる点です。さらに、BIPVは、建物の美観が重視される場合や、従来の架台設置型太陽光パネルが建物の外観を損なう場合に、太陽光発電設備の普及を促進します。.

BAPV（建築物設置型太陽光発電）という用語は、建物に後付けされる太陽光発電システムを指す場合に使われることがあります。実際、建物一体型システムのほとんどはBAPVです。一部のメーカーや開発業者は、新築の場合、BIPVとBAPVを区別しています。.

建物一体型太陽光発電（BIPV）の応用は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モジュールは、通常、電力網に接続されていない遠隔地にある建物に取り付けられたり、設置されたりしました。1980年代には、屋上太陽光発電システムの設置が始まりました。これらの太陽光発電システムは、一般的に電力網に接続された建物に設置され、集中発電所のある地域にありました。1990年代には、建物の外壁への統合を目的に特別に設計されたBIPV製品が市販されるようになりました。1998年にパトリナ・アイファートが発表した博士論文「BIPVの経済評価」では、再生可能エネルギー証書（REC）の取引に将来的に経済的価値が生まれるだろうと仮説が立てられました。2011年に米国国立再生可能エネルギー研究所が行ったBIPVの経済評価と簡単な歴史では、BIPVの設置コストが太陽光発電システムのコストと競争できるようになるまでには、重大な技術的課題が残っていることが示唆されています。しかしながら、BIPVシステムが広く商業化されることで、2020年までに欧州のゼロエネルギービル（ZEB）目標の基盤となるという認識が広まりつつある。有望な技術的可能性を秘めている一方で、建設業界の保守的な文化や高密度都市計画への統合といった、普及を阻む社会的障壁も指摘されている。著者らは、長期的な普及は技術開発だけでなく、効果的な政策決定にも大きく左右されるだろうと指摘している。.

半透明の太陽光発電モジュールは、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方法を提供する。この新しいタイプの太陽光発電は、将来的に世界の電力生産において重要な役割を果たす可能性が非常に高い。.

半透明の太陽電池モジュールを備えた建物一体型太陽光発電システムは、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、エネルギーコストを削減すると同時に、建物の外観を向上させることができます。.

さらに、半透明のソーラーパネルを使用することで、自然光を建物内部に取り込むことができます。これはエネルギーを節約するだけでなく、人工照明のコスト削減にもつながります。.

要約すると、建物一体型太陽光発電（BIPV）は、非常に効率的で汎用性の高い再生可能エネルギーの一種です。建物のエネルギー供給を持続的に改善する可能性を秘めています。.

地上設置型および屋上設置型発電所向けの、結晶シリコン製の太陽光発電モジュール。.

非晶質結晶シリコン薄膜太陽光発電モジュールは、中空構造で軽量、赤、青、黄色など様々な色があり、ガラスファサードや透明な天窓として使用できる。.

CIGS（銅インジウムガリウムセレン化物）薄膜セルをフレキシブルモジュール上に積層し、建物の外装部材にラミネートするか、またはCIGSセルを建物の外装の基板に直接取り付ける。.

二重ガラス構造の太陽光発電モジュールで、内部に正方形のセルが組み込まれている。.

平らな屋根

現在最も普及しているソリューションは、柔軟なポリマーモジュールに組み込まれた非晶質薄膜太陽電池であり、太陽電池モジュールのバックシートと屋根膜の間に接着フィルムを介して取り付けられる。米国の企業は、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）技術を用いて、単層TPO膜を用いた建材一体型モジュールで17%のセル効率を達成した。.

傾斜屋根

ソーラー屋根瓦とは、太陽光発電モジュールが一体化された（セラミック製の）屋根瓦のことです。このセラミック製ソーラー屋根瓦は、2013年にオランダの企業によって開発され、特許を取得しました。.

複数の屋根瓦のような形をしたモジュール。.

ソーラー屋根瓦は、見た目も機能も通常の屋根瓦に似ているが、柔軟な薄膜セルを内蔵したモジュールである。.

これらは、断熱材や防水膜を紫外線や水害から保護することで、屋根の通常の寿命を延ばします。また、露点を屋根防水膜より上に保つことで、結露も防止します。.

金属製の傾斜屋根（構造用および建築用）には、自立型の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と真空で封止することにより、太陽光発電機能が組み込まれるようになっている。.

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、建物の外観を一新します。これらのモジュールは既存の構造物の上に建物のファサードに取り付けられ、建物の魅力と再販価値を高めることができます。.

ガラス加工

太陽光発電窓は、ガラスや類似の素材で作られた窓や天窓など、多くの建築要素を置き換えることができる（半）透明のモジュールです。発電するだけでなく、優れた断熱性と日射制御能力により、さらなる省エネルギー効果も期待できます。.

太陽光発電ガラス窓：住宅や商業ビルへの発電技術の導入により、最終製品の全体的な美観をより重視する新たな研究分野が開拓されました。高効率化を目指すことは変わりませんが、太陽光発電窓の新たな開発では、消費者に最適なガラスの透明度や、多彩なカラーバリエーションを提供することも目指しています。様々な色のソーラーパネルは、広いスペクトルの中から特定の波長範囲を最適に吸収するように設計できます。半透明、ペロブスカイト、色素増感型太陽電池を用いた着色太陽光発電ガラスの開発が成功しています。.

• ファブリ・ペロー・エタロン技術を用いて、色光を吸収・反射するプラズモン太陽電池が開発されました。これらのセルは、2枚の平行な反射性金属膜と、その間の誘電体キャビティ膜で構成されています。2つの電極は銀（Ag）製で、その間のキャビティはSb₂O₃製です。誘電体キャビティの厚さと屈折率を変化させることで、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適となるスペクトルの特定の部分に合わせることで、セルの色を鮮やかにし、光電流損失を最小限に抑えることで、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は、それぞれ34.7%と24.6%の透過率を達成しました。青色デバイスは、吸収された光の13.3%を電気に変換できるため、開発およびテストされたすべての色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8nm、20nm、45nmに変更することで、赤、緑、青の波長に合わせて調整できる。ガラスの反射率をそれぞれのセルに最適な波長に調整することで、最大10.12%、8.17%、7.72%の電力効率が達成された。.
• 色素増感太陽電池は、液体電解質を用いて光を捕捉し、植物の光合成を可能にする天然色素と同様に、利用可能なエネルギーに変換します。葉の緑色の原因となる特定の色素はクロロフィルですが、カロテノイドやアントシアニンなどの他の天然色素は、オレンジ色や紫色など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、鮮やかな外観を持ち、特定の波長の光を選択的に吸収する色素増感着色太陽電池の実現可能性を実証しました。この低コストソリューションでは、マキフルーツ、ブラックマートル、ほうれん草から抽出した天然色素を増感剤として使用します。これらの天然増感剤は、2枚の透明ガラスの間に挟まれています。これらの特に安価なセルの効率はまだ不明ですが、これまでの有機色素増感太陽電池の研究では、9.8%という高い電力変換効率が達成されています。.

透明太陽電池は、ガラス板の内側に酸化スズのコーティングを施し、セルから電気を伝導させる。セル内部には、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る。.

従来の太陽電池のほとんどは、可視光線と赤外線を利用して発電します。一方、この革新的な新型太陽電池は、紫外線も利用します。従来の窓ガラスの代替として使用したり、既存のガラスの上に設置したりすれば、設置面積を大きくすることができ、発電、照明、温度制御を組み合わせた用途への応用が期待されます。.

透明太陽電池の別の呼び方は「半透明太陽電池」です（入射光の半分だけを透過させます）。無機太陽電池と同様に、有機太陽電池も半透明にすることができます。.

波長選択性なし

波長選択性を持たない一部の太陽光発電システムは、不透明な太陽電池を空間的に分割することで半透明性を実現している。この方法は、あらゆる種類の不透明な太陽電池を使用し、複数の小さなセルを透明な基板上に配置することで実現される。この分割により、エネルギー変換効率が大幅に低下し、透過率が向上する。.

波長選択性を持たない太陽光発電のもう一つの分野は、可視光を吸収する薄膜半導体を用い、その薄膜の厚さが薄いか、あるいは光が透過するのに十分なバンドギャップを持つものである。これにより、半透明の太陽光発電が実現し、空間的に分割された不透明太陽電池と同様に、効率と透過率の間に直接的なトレードオフが生じる。.

波長選択性を持たない太陽光発電のもう一つの分野は、可視光を吸収する薄膜半導体を用い、その薄膜の厚さが薄いか、あるいは光が透過するのに十分なバンドギャップを持つものである。これにより、半透明の太陽光発電が実現し、空間的に分割された不透明太陽電池と同様に、効率と透過率の間に直接的なトレードオフが生じる。.

波長選択型太陽光発電

波長選択型太陽電池（WSPV）は、紫外線および／または近赤外線のみを吸収する材料を用いることで透明性を実現し、2011年に初めて導入されました。透過率は高いものの、いくつかの問題によりエネルギー変換効率は低くなっています。これらの問題には、励起子拡散長の短さ、効率を損なわずに透明電極を小型化することの難しさ、そしてWSPVに使用される有機材料の固有の不安定性による全体的な寿命の短さなどが挙げられます。.

透明および半透明太陽光発電における革新

可視光スペクトルを吸収する非常に薄い活性層を持つ、波長選択性のない半透明有機太陽電池の開発に向けた初期の試みでは、効率は1%未満にとどまった。しかし、2011年には、有機クロロアルミニウムフタロシアニン供与体（ClAlPc）とフラーレン受容体を用いた透明有機太陽電池が、紫外線および近赤外線（NIR）スペクトルを吸収し、効率は約1.3%、可視光透過率は65%を超えた。2017年には、MITの研究者らが、有機太陽電池上に透明グラフェン電極を正常に堆積させる方法を開発し、可視光透過率61%、効率2.8～4.1%の向上を実現した。.

次世代太陽光発電として25%を超える効率で非常に人気が高いペロブスカイト太陽電池は、透明太陽光発電にも有望であることが証明されている。2015年には、メチルアンモニウム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が、波長800nmで79%の透過率と約12.7%の効率を達成した。.