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（BIPV）とは、屋根、天窓、ファサードなど、建物の外壁の一部に従来の建築資材を置き換える太陽光発電材料を指します。新築の建物では、主電源または副電源としてBIPVがますます普及しており、既存の建物にも同様の技術を後付けで設置することが可能です。従来の非一体型システムと比較した一体型太陽光発電システムの利点は、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築資材と人件費を削減することで、初期費用を相殺できることです。さらに、建物の美観が重視される場合、従来のラックマウント型太陽光パネルでは本来の外観を損なう可能性がある場合でも、BIPVは太陽光発電設備の普及を促進します。

BAPV（建物一体型太陽光発電システム）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ために使用されることがあります。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、新築においてBIPVとBAPVを区別しています。

建物一体型太陽光発電（BIPV）の用途は1970年代に登場しました。アルミフレームの太陽光発電モジュールは、通常、電力網にアクセスできない遠隔地にある建物に取り付けられ、あるいは設置されていました。1980年代には、屋上設置型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、集中型発電所がある地域にある建物に設置されました。1990年代には、建物外皮への組み込みに特化したBIPV製品が市販されました。パトリナ・アイファートによる1998年の博士論文「BIPVの経済評価」では、再生可能エネルギークレジット（REC）の取引に将来的な経済的価値が生まれるという仮説が提唱されました。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は、BIPVの設置コストが太陽光発電システムと競合できるようになるまでには、依然として大きな技術的課題が残っていることを示唆しています。しかし、BIPVシステムは広範な商業化を通じて、2020年までに欧州ゼロエネルギービル（ZEB）目標の基盤とな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、広範な導入を阻む社会的障壁も指摘されています。著者らは、長期的な導入は技術開発だけでなく、効果的な政策決定にも大きく依存する可能性が高いと指摘しています。

半透明の太陽電池モジュールは、建物一体型太陽光発電（BIPV）を建築や都市計画に統合する興味深い方法を提供します。この新しいタイプの太陽光発電は、将来、世界の電力生産において重要な構成要素となる可能性が非常に高いです。

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、半透明の太陽光パネルを使用すれば、建物の内部に太陽光を直接取り込むことができます。これにより、エネルギーを節約できるだけでなく、人工照明にかかるコストも削減できます。

まとめると、建物一体型太陽光発電（BIPV）は、非常に効率が高く、用途が広い再生可能エネルギーであり、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の発電所向けの結晶シリコン製太陽光モジュール。

非晶質結晶シリコン薄膜太陽光発電モジュールは中空で軽量、赤、青、黄色のカラーがあり、ガラスのファサードや透明な天窓として使用できます。

CIGS ベース (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、建物外壁要素に取り付けるか、CIGS セルを建物外壁の基板に直接取り付けます。

内部に正方形のセルを備えた二重ガラスのソーラーモジュール。

陸屋根

現在最も普及しているソリューションは、フレキシブルポリマーモジュールにアモルファス薄膜太陽電池を組み込んだもので、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で貼り付けられています。米国のある企業は、銅インジウムガリウムセレン（CIGS）技術を用いて、単層TPO膜を用いた建物一体型モジュールで17%のセル効率を達成しました。

傾斜屋根

ソーラールーフタイルは、太陽電池モジュールを内蔵した（セラミック製の）屋根瓦です。このセラミック製ソーラールーフタイルは、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。

ソーラーシングルは、見た目も機能も通常のシングルと似ていますが、柔軟な薄膜セルを内蔵したモジュールです。

断熱材と屋根膜を紫外線や水害から保護することで、屋根の寿命を延ばします。また、露点を屋根膜より高く保つことで結露を防ぎます。

金属製の傾斜屋根（構造用と建築用の両方）には現在、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密封することによって、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で、全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、既存の構造物の上に建物のファサードに設置されるため、建物の魅力を高め、再販価値を高めることができます。

グレージング

太陽光発電窓は、窓や天窓など、通常はガラスや類似の素材で作られる多くの建築要素を置き換えることができる（半）透明モジュールです。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、さらなる省エネ効果も得られます。

太陽光発電ガラス窓：住宅や商業ビル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新たな研究分野が開拓されました。高効率化の達成は依然として目標ですが、太陽光発電窓の新たな開発では、消費者に最適なレベルのガラスの透明性や、幅広い色彩から選択できるオプションを提供することも目指しています。異なる色のソーラーパネルは、より広いスペクトルから特定の波長域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、色素増感太陽電池を用いた着色太陽光発電ガラスの開発に成功しています。

• ファブリ・ペロー・エタロン技術を用いて、有色の光を吸収・反射するプラズモニック太陽電池が開発された。この太陽電池は、2枚の平行な反射金属膜と、その間にある誘電体空洞膜で構成されている。2つの電極は銀（Ag）で作られ、その間の空洞はSb₂O₃でできている。誘電体空洞の厚さと屈折率を変えることで、最もよく吸収される波長が変化する。吸収層ガラスの色を、太陽電池の厚さと屈折率が最適なスペクトル部分に一致させることで、色が強くなるため太陽電池の美観が向上し、光電流の損失が最小限に抑えられる。赤色光デバイスと青色光デバイスの透過率は、それぞれ34.7%と24.6%であった。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有色デバイスの中で最も効率的である。
• 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、45nmに変化させることで、赤、緑、青の波長に合わせて調整できます。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、最大10.12%、8.17%、7.72%の電力効率を達成しました。
• 色素増感太陽電池は、液体電解質を用いて光を捉え、利用可能なエネルギーに変換します。これは、植物の光合成に天然色素が利用される仕組みと似ています。葉の緑色はクロロフィルが主成分ですが、カロテノイドやアントシアニンといった他の天然色素も、オレンジや紫といった多様な色合いを生み出します。コンセプシオン大学の研究者たちは、鮮やかな発色と特定の波長の光を選択的に吸収する色素増感型カラー太陽電池の実現可能性を実証しました。この低コストなソリューションでは、マキフルーツ、ブラックマートル、ホウレンソウ由来の天然色素を増感剤として用いています。これらの天然増感剤は、2層の透明ガラスの間に挟まれています。この非常に安価なセルの効率は未だ不明ですが、有機色素増感太陽電池に関するこれまでの研究では、「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をコーティングすることでセルからの電気を伝導します。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。

従来の太陽電池の多くは、可視光と赤外線を利用して発電します。一方、この革新的な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、あるいは既存のガラスの上に設置することで、設置面積を広く取ることができ、発電、照明、温度制御などを組み合わせた用途への展開が期待されます。

透明な太陽光発電は「半透明太陽光発電」（入射光の半分だけを透過する）とも呼ばれます。無機太陽光発電と同様に、有機太陽光発電も半透明です。

非波長選択性

一部の非波長選択型太陽光発電システムは、不透明太陽電池を空間的に分割することで半透明を実現しています。この方法では、あらゆる種類の不透明太陽電池を使用し、透明基板上に複数の小さなセルを分散配置します。この分割により、エネルギー変換効率は大幅に低下し、透過率は向上します。

波長選択性の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利用するもので、その厚さは薄く、あるいは光を透過させるのに十分なバンドギャップを持つ。これにより、空間的に分割された不透明太陽電池と同様に、効率と透過率の間で直接的なトレードオフが生じる半透明の太陽光発電が実現する。

波長選択性の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（厚さが薄い、または光を透過させるのに十分なバンドギャップを持つ）を利用するものです。これにより、空間的に分割された不透明太陽電池と同様に、効率と透過率の間で直接的なトレードオフが生じる半透明の太陽光発電が実現します。

波長選択型太陽光発電

波長選択型太陽光発電（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。高い透過率にもかかわらず、エネルギー変換効率はいくつかの問題により低くなっています。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、そしてWSPVに使用される有機材料の固有の不安定性に起因する寿命の短さなどがあります。

透明および半透明の太陽光発電におけるイノベーション

可視スペクトルを吸収する非常に薄い活性層を備えた、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%未満でした。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ドナー（ClAlPc）とフラーレンアクセプターを用いた透明有機太陽電池が、紫外線および近赤外線（NIR）スペクトルで約1.3%の吸収を示し、可視光透過率は65%を超えました。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堆積させる方法を開発し、可視光透過率は61%、効率は2.8～4.1%に向上しました。

25%を超える変換効率を誇る次世代太陽光発電として非常に人気のあるペロブスカイト太陽電池は、透明太陽電池としても有望であることが証明されています。2015年には、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備え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%の変換効率を達成しました。