ソーラーパネルの表面に「単純な模様」を追加するだけで光の吸収効率が2倍以上になるとの研究結果

近年では再生可能エネルギーの研究や導入が世界各国で進められており、太陽光発電などの発電効率も次第に高まっています。イギリスのヨーク大学がポルトガルのヌエバ・デ・リスボン大学と共同で行った研究では、ソーラーパネルの表面に単純なパターンのエッチングを施すことで、光の吸収効率が2倍以上になる可能性があると判明しました。

OSA | Light trapping in solar cells: simple design rules to maximize absorption
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-10-1377

Scientists see the light: new solar panel design could lead to wider use of renewable energy - News and events, The University of York
https://www.york.ac.uk/news-and-events/news/2020/research/solar-panel-design-renewable-energy/

Etching a Simple Pattern on Solar Panels Boosts Light Absorption by 125%, Study Shows
https://www.sciencealert.com/checkerboard-design-for-solar-panels-boosts-light-absorption-by-125-study-shows

今回の研究以前から、24時間稼働することが可能な太陽光発電システムの開発や太陽光発電に藻類を用いる取り組み、透明なソーラーパネルを使った太陽光発電など、太陽光発電の効率を向上させるためにさまざまな研究が行われてきました。

全ての試みは化石燃料への依存度が少ない世界に向けた取り組みですが、ヨーク大学などの研究チームは既存の太陽光発電技術にわずかな変更を加えるだけで、発電効率を高める方法を模索していました。研究チームが目を付けたのが、「ソーラーパネルに用いられる結晶シリコン(ソーラーグレードシリコン)の表面構造を調節する」という方法だったとのこと。

太陽光発電はソーラーパネルが太陽光を吸収することによって発電を行うため、太陽光の吸収効率を向上させることができれば発電効率も上昇します。研究チームはソーラーパネルが反射する太陽光の割合を減らし、より多くの太陽光を閉じ込める表面構造のデザインを考案することにしました。

ソーラーパネルの表面構造を考案するに当たって、研究チームは自然界に存在するパターンやコンピューターアルゴリズムに基づく新たな構造設計を検討するのではなく、単純な「格子状のパターン」を基にして太陽光の吸収を最適化する方法を模索しました。

研究チームは、厚さわずか1マイクロメートルのソーラーグレードシリコンから作られたソーラーパネルにおける光の吸収効率を、「単純な格子状」「交差した格子状」「チェッカーボード柄(市松模様)の格子状」など、格子状のパターンからなる多様な表面構造でシミュレーションしました。また、それぞれのパターンを特定の単位でランダムに回転させた構造についても、光の吸収効率を比較したとのこと。

シミュレーションの結果、格子状のパターンがランダムに回転するチェカーボード柄が、比較対象となったどのパターンよりも多くの電気を生み出すことが判明。格子状のパターンが存在しない従来の太陽光電池と比較すると、約125％も多くの電気を生成することが示唆されたそうです。さらに研究チームは、格子状のパターンからなるチェッカーボード柄は単純な構造であり、他の複雑なナノ構造を持つソーラーパネルよりも工業規模での生産が容易だと主張しています。

by The Optical Society

研究チームのChristian Schuster博士は、「私たちのアイデアは、より洗練されたデザインの光吸収効率の強化に匹敵します」とコメント。また、チェッカーボード設計を利用することでより薄いソーラーパネルの製造が可能となり、製造に必要なエネルギーの削減や、より薄い材料へのソーラーパネルの統合なども可能になると語りました。

チェッカーボード柄の設計原則が有効なのは太陽光発電だけではなく、音響ノイズシールドや暴風パネル、滑り止めなど、光の回折に似た物理的機能に依存する関連領域でも役立つ可能性があると研究チームは指摘しました。