新しい太陽電池が「太陽光過剰」の問題を克服

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直感に反するように聞こえるかもしれませんが、太陽光パネルにとって過剰な太陽光は深刻な問題です。世界経済フォーラムによると、熱波など、気温が高すぎる場合、太陽光パネルの出力は10%から25%低下する可能性があります。

この問題は古くから存在し、太陽光パネルの普及を阻害している可能性があります。太陽光パネルは1970年代にアメリカで利用しやすくなりました。世界的なエネルギー需要の増加と、世界の多くの地域で化石燃料からの脱却が進むにつれ、持続可能なエネルギー生産には効率性が不可欠になっています。気候変動の影響で、熱波はますます頻繁に発生しています。

今、英国の科学者たちは、この過剰な熱を化学エネルギーに変換し、電力を供給する解決策を発見したかもしれません。

従来の太陽光パネルアレイを構成する各太陽電池は、太陽からの光子（光の粒子）を吸収して電気に変換するように特別に設計されたシリコン半導体層を備えています。光子は半導体材料内の電子にエネルギーを伝達し、電子を移動させます。この動きによってセル内に電流が発生します。

太陽電池パネルは通常15℃から35℃の温度で動作しますが、優れた熱吸収特性により、過剰な熱を吸収してしまいます。屋外温度がわずか29℃であっても、パネル温度は65℃に達することがあります。この時点で、各太陽電池セルの回路内の電子が飛び跳ね始めます。この不安定性により電圧が低下し、効率が低下します。

今回の新たな研究では、太陽電池セルの限界を超え、シリコンベースの光電気化学（PEC）フロー電池を採用しています。PECフロー電池は、温度上昇に伴って効率が向上する蓄電システムも備えています。この研究は、Journal of Chemical Physics誌8月号に掲載されました。

このシステムは従来の太陽電池パネル技術に似ていますが、重要な違いがあります。それは、セル表面で化学反応が起こり、電力伝送が駆動されるという点です。 「電解質（電荷を蓄え、運ぶ物質）に含まれる化学物質の種類に応じて、電気エネルギーを他の化学物質に変換したり、化学エネルギーとして電解質に蓄えたりすることができます」と、この研究論文の共著者であるラフバラ大学のダオユアン・ペイ博士はメールで述べています。

PECフロー電池は主に2つのステップで動作します。まず、光検出器が光を吸収して発電します。次に、PECセル自体と電解質の界面で化学反応が起こります。

ペイ博士はメールで、「最近の実験で、ある程度の熱が化学変換反応を促進し、電圧損失を補うことができることがわかりました」と述べています。「つまり、セルを過熱させることなく熱を効果的に利用できる温度範囲があるということです。」

このエネルギー変換効率の向上に最適な温度は約45℃です。この閾値を超えると、温度上昇によってPECセルの効率も低下します。この閾値は使用される材料によって異なりますが、ペイ氏によると、温度が上昇するにつれてセル表面に付着する物質が増加し、ある時点で過剰になるとのことです。

PECフロー電池は従来の太陽電池技術よりも多くの太陽光を吸収できると期待されていますが、重要な弱点を克服する必要があります。それは、必要な化学反応を開始するために、ペイ氏が「代償」と呼ぶものを支払う必要があることです。この「過電位」はセル全体の効率を低下させます。また、通常の太陽電池パネルと比較して、PECフロー電池は特に腐食に弱いという欠点もあります。

標準的な太陽電池は、グリーンエネルギー革命の基本的な原動力であり続けるかもしれませんが、ペイ氏はPECフロー電池の利点は数多くあると考えています。PECフロー電池はエネルギー貯蔵に非常に優れているため、主電力網からの独立性が求められる状況で特に有用です。また、PECフロー電池は配線やその他の従来の電気接続を必要としないため、よりシンプルです。実際、一部の研究者はPECセルを「人工葉」と呼んでいます。

現状の効率性と腐食の問題から、ペイ氏はPEC技術を水素製造やCO2排出量削減に利用することに懐疑的です。しかし、酸化還元化学反応を利用して発電するレドックス電池は、PECセルよりも優れた代替手段となる可能性があると指摘しています。

「他の化学変換プロセスとは異なり、レドックス電池は過電圧が低く、ガスや生成物のろ過も必要ありません」とペイ氏は言います。

これらの独創的なソリューションは、近い将来に不可欠になるとペイ氏は言います。（文毅訳）

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