太陽電池のしくみ

これらの大きなパネルは、太陽電池式の計算機ほど一般的ではありませんが、そこにあり、どこを見ればよいかを知っていれば、見つけるのはそれほど難しくありません。実際、かつてはほぼ宇宙でのみ使用され、1958年まで衛星の電気システムに電力を供給していた太陽光発電は、それほどエキゾチックではない方法でますます使用されています。このテクノロジーは、サングラスから電気自動車の充電ステーションまで、常に新しいデバイスに登場し続けています。

「太陽革命」への希望は何十年にもわたって浮かんできました-いつの日か私たち全員が太陽からの無料の電気を使うという考え。これは魅惑的な約束です。明るく晴れた日には、太陽光線が惑星の表面1平方メートルあたり約1,000ワットのエネルギーを放出するからです。そのエネルギーをすべて集めることができれば、家やオフィスに無料で簡単に電力を供給することができます。

この記事では、太陽電池を調べて、太陽のエネルギーを直接電気に変換する方法を学びます。このプロセスでは、なぜ私たちが日常的に太陽エネルギーの使用に近づいているのか、そしてプロセスが費用効果が高くなる前にまだやるべきことがまだあるのかを学びます。

コンテンツ

1. 太陽電池：光子を電子に変換する
2. シリコンが太陽電池を作る方法
3. 太陽電池の構造
4. 太陽電池のエネルギー損失
5. 家に太陽光発電
6. 太陽光発電の問題を解決する
7. 太陽光発電のセットアップを完了する
8. 太陽電池技術の発展
9. 太陽光発電のコスト

電卓や衛星に見られる太陽電池は、太陽光発電（PV）セルとも呼ばれ、その名前が示すように（写真は「光」を意味し、電圧は「電気」を意味します）、太陽光を直接電気に変換します。モジュールは、電気的に接続され、フレーム（より一般的にはソーラーパネルとして知られています）にパッケージ化されたセルのグループであり、ネバダ州のネリス空軍基地で動作するもののように、より大きなソーラーアレイにグループ化できます。

太陽電池は、現在最も一般的に使用されているシリコンなどの半導体と呼ばれる特殊な材料でできています。基本的に、光がセルに当たると、その特定の部分が半導体材料内に吸収されます。これは、吸収された光のエネルギーが半導体に伝達されることを意味します。エネルギーは電子をノックアウトし、電子が自由に流れることを可能にします。

また、PVセルにはすべて、光吸収によって解放された電子を特定の方向に強制的に流すように作用する1つまたは複数の電界があります。この電子の流れは電流であり、PVセルの上部と下部に金属接点を配置することで、外部で使用するために、たとえば電卓に電力を供給するために、その電流を引き出すことができます。この電流は、セルの電圧（内蔵の電界の結果）とともに、太陽電池が生成できる電力（またはワット数）を定義します。

これが基本的なプロセスですが、それだけではありません。次のページでは、PVセルの一例である単結晶シリコンセルについて詳しく見ていきましょう。

ソーラーになり、グリーンになります

既存の家にソーラーパネルを追加するのは費用がかかる場合がありますが、家をより環境に優しいものにする方法は他にもたくさんあります。ディスカバリーチャンネルのプラネットグリーンで、環境を保護するためにできることの詳細をご覧ください。

シリコンには、特に結晶形で、いくつかの特別な化学的性質があります。シリコンの原子には14個の電子があり、3つの異なるシェルに配置されています。最初の2つのシェル（それぞれ2つと8つの電子を保持）は完全にいっぱいです。ただし、外殻は4つの電子だけで半分しか満たされていません。シリコン原子は常に最後のシェルを埋める方法を探します。これを行うには、近くの4つの原子と電子を共有します。これは、各原子が隣接する原子と手をつないでいるようなものですが、この場合、各原子には4つの隣接する原子に結合された4つの手があります。それが結晶構造を形成するものであり、その構造はこのタイプのPVセルにとって重要であることがわかります。

唯一の問題は、銅のようなより最適な導体の電子とは異なり、純粋な結晶シリコンは自由に動き回ることができないため、電気の伝導性が低いことです。この問題に対処するために、太陽電池のシリコンには不純物が含まれています-他の原子が意図的にシリコン原子と混ざり合っている-これにより、動作方法が少し変わります。私たちは通常、不純物を望ましくないものと考えていますが、この場合、私たちのセルは不純物なしでは機能しません。あちこちにリンの原子があるシリコンを考えてみてください。おそらく100万個のシリコン原子ごとに1つです。リンの外殻には4つではなく5つの電子があります。それはまだそのシリコン隣接原子と結合しますが、ある意味で、リンは手をつなぐ人がいない1つの電子を持っています。それは結合の一部を形成しませんが、それを所定の位置に保持しているリン核に正のプロトンがあります。

ときにエネルギーが純粋なシリコンに追加され、例えば熱の形で、それは少数の電子がその債券の脱却と、それらの原子を残すことがあります。いずれの場合も穴が残ります。次に、自由キャリアと呼ばれるこれらの電子は、結晶格子の周りをランダムにさまよって、別の穴に落ちて電流を運びます。しかし、純粋なシリコンにはそれらが非常に少ないため、あまり有用ではありません。

しかし、リン原子が混入した不純なシリコンは別の話です。 「余分な」リン電子の1つは、隣接する原子と結合して結合されていないため、ノックアウトするのに必要なエネルギーははるかに少なくなります。その結果、これらの電子のほとんどは自由に壊れ、純粋なシリコンよりもはるかに多くの自由キャリアがあります。意図的に不純物を加えるプロセスはドーピングと呼ばれ、リンをドープすると、自由電子が多いため、得られるシリコンはN型（負の場合は「n」）と呼ばれます。 N型ドープシリコンは、純粋なシリコンよりもはるかに優れた導体です。

典型的な太陽電池の他の部分には、外殻に4つではなく3つの電子しかないホウ素元素がドープされてP型シリコンになります。自由電子を持つ代わりに、Pタイプ（正の場合は「p」）には自由な開口部があり、反対の（正の）電荷を帯びています。

次のページでは、これら2つの物質が相互作用し始めたときに何が起こるかを詳しく見ていきます。

これまで、2つの別々のシリコンは電気的に中性でした。興味深い部分は、それらを組み合わせると始まります。これは、電界がないとセルが機能しないためです。 N型とP型のシリコンが接触すると電界が形成されます。突然、N側の自由電子がP側のすべての開口部を見るようになり、それらを埋めるために狂ったように急いでいます。すべての自由電子がすべての自由穴を埋めますか？いいえ。もしそうなら、全体の取り決めはあまり役に立ちません。ただし、接合部で、それらは混合して何らかの障壁を形成し、N側の電子がP側に交差するのをますます困難にします。最終的には平衡に達し、2つの側面を分離する電界が発生します。

この電界はダイオードとして機能し、電子がP側からN側に流れることを可能にします（さらには押します）が、その逆はできません。それは丘のようなものです-電子は簡単に丘を下って（N側に）行くことができますが、それを登ることはできません（P側に）。

光子の形で光が太陽電池に当たると、そのエネルギーが電子正孔対を分解します。十分なエネルギーを持つ各光子は、通常、正確に1つの電子を解放し、その結果、自由な正孔も発生します。これが電場の近くで起こった場合、または自由電子と自由正孔がたまたまその影響範囲内をさまよった場合、電場は電子をN側に送り、正孔をP側に送ります。これにより、電気的中性がさらに破壊され、外部電流経路を提供すると、電子が経路を通ってP側に流れ、電界がそこに送った穴と結合して、途中で作業を行います。電子の流れが電流を供給し、セルの電界が電圧を発生させます。電流と電圧の両方で、2つの積である電力があります。

セルを実際に使用する前に、さらにいくつかのコンポーネントが残っています。シリコンはたまたま非常に光沢のある素材であり、仕事を終える前にフォトンを跳ね返らせる可能性があります。

これらの損失を減らすために、反射防止コーティングが施されています。最後のステップは、セルを要素から保護するもの（多くの場合、ガラスカバープレート）を取り付けることです。PVモジュールは通常、いくつかの個別のセルを接続して有用なレベルの電圧と電流を実現し、それらを正と負の端子を備えた頑丈なフレームに配置することによって作成されます。

私たちのPVセルはどのくらいの太陽光エネルギーを吸収しますか？残念ながら、おそらくそれほど多くはありません。たとえば、2006年には、ほとんどのソーラーパネルは約12〜18パーセントの効率レベルにしか達しませんでした。その年の最も最先端のソーラーパネルシステムは、ついに業界の長年にわたる太陽効率の40％の障壁を乗り越え、40.7％を達成しました[出典：米国エネルギー省]。では、なぜ晴れた日を最大限に活用するのがそんなに難しいのでしょうか。

可視光は電磁スペクトルの一部にすぎません。電磁放射は単色ではありません-それは異なる波長の範囲で構成されているため、エネルギーレベルです。 （電磁スペクトルの詳細については、光のしくみを参照してください。）

光はさまざまな波長に分けることができ、虹の形で見ることができます。私たちのセルに当たる光が持っているので、光子 のエネルギーの広い範囲のを、それはそれらのいくつかは、電子-正孔対を変更するのに十分なエネルギーを持っていないことが判明します。それらは、透明であるかのようにセルを通過するだけです。さらに他の光子はエネルギーが多すぎます。電子をノックアウトするために必要なのは、電子ボルト（eV）で測定され、セル材料によって定義される特定の量のエネルギー（結晶シリコンの場合は約1.1 eV）のみです。これをバンドギャップエネルギーと呼びます材料の。光子が必要な量よりも多くのエネルギーを持っている場合、余分なエネルギーは失われます。 （つまり、光子に必要なエネルギーが2倍あり、複数の電子正孔対を生成できる場合を除きますが、この効果は重要ではありません。）これら2つの効果だけで、入射する放射エネルギーの約70％の損失を説明できます。私たちの細胞に。

より多くのフォトンを使用できるように、バンドギャップが非常に小さい材料を選択できないのはなぜですか？残念ながら、バンドギャップは電界の強さ（電圧）も決定します。それが低すぎると、（より多くの光子を吸収することによって）余分な電流で補うものが、小さな電圧を持つことによって失われます。電力は電圧と電流の積であることを忘れないでください。これら2つの効果のバランスをとる最適なバンドギャップは、単一の材料で作られたセルの場合、約1.4eVです。

他にも損失があります。私たちの電子は、外部回路を介してセルの一方の側からもう一方の側に流れる必要があります。底部を金属で覆うことで良好な伝導が可能になりますが、上部を完全に覆うと、光子が不透明な導体を通過できなくなり、電流がすべて失われます（一部のセルでは、透明な導体が上面ですが、すべてではありません）。接点をセルの側面にのみ配置すると、電子は接点に到達するために非常に長い距離を移動する必要があります。シリコンは半導体であることを忘れないでください。電流を輸送するための金属ほど良くはありません。その内部抵抗（直列抵抗と呼ばれる））はかなり高く、抵抗が高いと損失が大きくなります。これらの損失を最小限に抑えるために、セルは通常、セル表面のごく一部のみをカバーしながら、電子が移動しなければならない距離を短縮する金属接触グリッドで覆われています。それでも、一部のフォトンはグリッドによってブロックされます。グリッドは小さすぎないようにする必要があります。そうしないと、それ自体の抵抗が高すぎます。

太陽電池がどのように動作するかがわかったので、この技術で家に電力を供給するために何が必要かを見てみましょう。

太陽エネルギーで家に電力を供給するためにあなたは何をしなければなりませんか？いくつかのモジュールを屋根に叩くほど簡単ではありませんが、それも非常に難しいことではありません。

まず第一に、すべての屋根が太陽を最大限に活用するための正しい向きや傾斜角度を持っているわけではありませんのエネルギー。北半球の非追跡PVシステムは、理想的には真南を向いている必要がありますが、効率の程度はさまざまですが、より東西の方向を向いている方向でも機能します。ソーラーパネルはまた、年間を通じて最大量のエネルギーを吸収するために、地域の緯度にできるだけ近い角度で傾斜させる必要があります。朝または午後、および/または夏または冬のエネルギー生産を最大化したい場合は、異なる方向および/または傾斜を使用できます。もちろん、モジュールは、時間帯や時期に関係なく、近くの木や建物に覆われてはいけません。 PVモジュールでは、セルの1つでもシェーディングされている場合、発電量を大幅に削減できます。

日陰のない南向きの屋根の家がある場合は、必要なサイズシステムを決定する必要があります。これは、あなたの発電量が天候に依存し、それが完全に予測できることは決してなく、あなたの電力需要も変化するという事実によって複雑になります。幸いなことに、これらのハードルはかなり簡単にクリアできます。気象データは、さまざまな地理的領域の月平均日照レベルを示します。これは、降雨と曇りの日だけでなく、高度、湿度も考慮に入れますおよびその他のより微妙な要因。一年中十分な電力が得られるように、最悪の月に合わせて設計する必要があります。そのデータと平均的な家庭の需要（公共料金の請求書で、毎月使用するエネルギー量を簡単に知ることができます）を使用すると、必要なPVモジュールの数を決定するために使用できる簡単な方法があります。また、直列に配線するモジュールの数を決定することで制御できるシステム電圧を決定する必要があります。

あなたはすでに私たちが解決しなければならないいくつかの問題を推測しているかもしれません。まず、太陽が輝いていないときにどうしますか？

天気予報士の気まぐれで生活するという考えは、おそらくほとんどの人を興奮させませんが、3つの主なオプションは、太陽が協力していなくても、あなたがまだ力を持っていることを保証できます。完全にオフグリッドで生活したいが、PVパネルがピンチで必要なすべての電力を供給することを信頼していない場合は、太陽光発電が少なくなったときにバックアップ発電機を使用できます。 2番目のスタンドアロンシステムには、バッテリーの形でのエネルギー貯蔵が含まれます。残念ながら、バッテリーはPVシステムに多くのコストとメンテナンスを追加する可能性がありますが、完全に独立したい場合は現在必要です。

別の方法は、家を電力網に接続し、必要なときに電力を購入し、使用する以上の電力を生産したときに売り戻すことです。このように、ユーティリティは実質的に無限のストレージシステムとして機能します。ただし、政府の規制は場所によって異なり、変更される可能性があることに注意してください。地元の公益事業会社が参加する必要がある場合とない場合があり、買戻し価格は大きく異なる可能性があります。また、公益事業会社に販売しようとしている電力が自社の電力と互換性があることを確認するために、おそらく特別な機器が必要になります。安全性も問題です。ユーティリティは、近所で停電が発生した場合、PVシステムがラインマンが死んでいると思う電力線に電力を供給し続けないようにする必要があります。これは単独運転と呼ばれる危険な状況です、しかし、それはアンチアイランドインバーターで回避することができます-次のページで説明します。

代わりにバッテリーを使用する場合は、バッテリーを保守し、一定の年数が経過した後に交換する必要があることに注意してください。ほとんどのソーラーパネルは約30年続く傾向があります（そして寿命の改善は確かに1つの研究目標です）が、バッテリーにはそのような耐用年数がありません[出典：国立再生可能エネルギー研究所]。太陽光発電システムのバッテリーは、蓄えるエネルギーとそれに含まれる酸性電解質のために非常に危険な場合もあるため、換気の良い非金属製の筐体が必要になります。

いくつかの異なる種類のバッテリーが一般的に使用されていますが、それらすべてに共通する必要がある1つの特徴は、それらがディープサイクルバッテリーであるということです。浅いサイクルのバッテリーであるカーバッテリーとは異なり、深いサイクルのバッテリーは、長寿命を維持しながら、蓄積されたエネルギーをより多く放電することができます。車のバッテリーは、非常に短い時間（車を始動するため）に大電流を放電し、運転するとすぐに再充電されます。PVバッテリーは通常、日中に充電されている間、より長い期間（夜間や停電時など）、より小さな電流を放電する必要があります。最も一般的に使用されるディープサイクルバッテリーは、鉛蓄電池（密閉型とベント型の両方）とニッケルカドミウム電池です。、どちらにもさまざまな長所と短所があります。

次のページでは、太陽があなたにいくらかの現金を節約し始めるのに必要となるであろうコンポーネントをもう少し深く掘り下げます。

バッテリーを使用するには、充電コントローラーと呼ばれる別のコンポーネントを取り付ける必要があります。バッテリーは、過充電または消耗しすぎない限り、長持ちします。それが充電コントローラーが行うことです。バッテリーが完全に充電されると、充電コントローラーはPVモジュールからの電流をバッテリーに流し続けません。同様に、バッテリー電圧を測定することによって制御され、バッテリーが特定の所定のレベルまで排出されると、多くの充電コントローラーは、バッテリーが再充電されるまで、バッテリーからそれ以上の電流を排出することを許可しません。充電コントローラーの使用は、バッテリーの寿命を延ばすために不可欠です。

以外の他の問題は、エネルギー蓄積があることで電気があなたの太陽電池パネルによって生成され、そしてあなたがそれらを使用することを選択した場合、あなたのバッテリーから抽出された、あなたのユーティリティが提供またはあなたの家の電化製品で使われている形式ではありません。ソーラーシステムで発電される電気は直流なので、交流に変換するにはインバーターが必要です。また、前のページで説明したように、DCからACへの切り替えとは別に、一部のインバーターは、システムが電力網に接続されている場合に単独運転から保護するように設計されています。

ほとんどの大型インバーターでは、システムの動作を自動的に制御できます。ACモジュールと呼ばれる一部のPVモジュールには、実際には各モジュールにすでにインバーターが組み込まれているため、大型の中央インバーターが不要になり、配線の問題が簡素化されます。

取り付けハードウェア、配線、ジャンクションボックス、接地装置、過電流保護、DCおよびAC切断、その他のアクセサリを投入すれば、システムを手に入れることができます。電気規則に従う必要があり（PV専用のNational Electrical Codeのセクションがあります）、PVシステムの経験がある資格のある電気技師が設置を行うことを強くお勧めします。太陽光発電システムは、設置後はメンテナンスがほとんど必要なく（特にバッテリーを使用しない場合）、20年以上にわたってクリーンで静かに電力を供給します。

典型的なPVシステムがどのように動作するかについて多くのことを話しましたが、費用対効果に関する問題（次のページで詳しく説明します）は、ソーラーを作る新しい方法の開発と微調整を目的とした無限の研究努力に拍車をかけました従来のエネルギー源とますます競争力のある電力。

たとえば、PVセルで使用される材料は単結晶シリコンだけではありません。製造コストを削減するために多結晶シリコンが使用されていますが、結果として得られるセルは単結晶シリコンほど効率的ではありません。第二世代の太陽電池技術は、薄膜太陽電池として知られているもので構成されています。また、効率をいくらか犠牲にする傾向がありますが、製造がより簡単で安価であり、常により効率的になります。薄膜太陽電池は、アモルファスシリコン（結晶構造を持たない）、ガリウムヒ素、銅インジウムジセレニド、テルル化カドミウムなど、さまざまな材料で作ることができます。

効率を上げるための別の戦略は、バンドギャップが異なる異なる材料の2つ以上の層を使用することです。物質に応じて、さまざまなエネルギーの光子が吸収されることを忘れないでください。したがって、表面に高バンドギャップ材料を積み重ねて高エネルギー光子を吸収することにより（低エネルギー光子を下の低バンドギャップ材料に吸収させる一方で）、はるかに高い効率を得ることができます。多接合セルと呼ばれるこのようなセルは、複数の電界を持つことができます。

太陽光発電技術の集中は、もう1つの有望な開発分野です。集光型太陽光発電システムは、たまたま太陽光の一部を集めて変換して電気に変換するのではなく、レンズやミラーなどの光学機器を追加して、より多くの太陽エネルギーを高効率の太陽電池に集中させます。これらのシステムは一般に製造コストが高くなりますが、従来のソーラーパネルのセットアップに比べて多くの利点があり、さらなる研究開発の取り組みを促進します。

太陽電池技術のこれらすべての異なるバージョンには、太陽電池式の飛行機や宇宙ベースの発電所から、PV駆動のカーテン、衣服、ラップトップケースなどのより日常的なアイテムまで、あらゆる範囲を実行するアプリケーションや製品を夢見ている企業があります。ナノ粒子のミニチュアの世界でさえも取り残されておらず、研究者たちは有機的に生成された太陽電池の可能性さえ探求しています。

しかし、太陽光発電がそのような素晴らしい自由エネルギー源であるなら、なぜ全世界が太陽エネルギーで動いていないのでしょうか？

一部の人々は太陽エネルギーの欠陥のある概念を持っています。太陽光は無料ですが、太陽光発電システムで発電される電力は無料ではありません。太陽光発電システムの設置が価格に見合うかどうかを判断するには、多くの要因が関係しています。

まず、あなたがどこに住んでいるかという問題があります。世界の日当たりの良い地域に住む人々は、太陽光発電システムが一般により多くの電力を生成できるため、太陽の降り注ぐ場所に住む人々よりも大きなアドバンテージを持って始めます。ある地域の光熱費は、それに加えて考慮に入れる必要があります。電気料金は場所によって大きく異なるため、さらに北に住んでいる人は、電気料金が特に高い場合でも、太陽光発電を検討することをお勧めします。

次に、インストールコストがあります。家庭用太陽光発電システムの説明からお気づきかもしれませんが、かなりのハードウェアが必要です。 2009年の時点で、住宅用ソーラーパネルの設置は、設置するのに平均して1ワットあたり8ドルから10ドルの間でした[出典：国立再生可能エネルギー研究所]。システムが大きいほど、通常、ワットあたりのコストは低くなります。また、多くの太陽光発電システムは、電力負荷を100％完全にカバーしていないことを覚えておくことも重要です。たぶん、あなたはまだ電気代を持っているでしょう、しかしそれは確かに適切な場所にソーラーパネルがなかった場合よりも低くなるでしょう。

ステッカーの価格にもかかわらず、アップグレードしてソーラーに移行することをいとわない居住者と企業の両方にとって、PVシステムのコストを負担するいくつかの潜在的な方法があります。これらは、連邦および州の税制上の優遇措置、公益事業会社のリベート、およびその他の資金調達の機会の形で提供されます。さらに、ソーラーパネルのセットアップの大きさ（およびそのパフォーマンス）によっては、時折余剰電力を生成することで、より早く利益を得ることができます。最後に、住宅価格の見積もりを考慮することも重要です。太陽光発電システムを設置すると、家の価値に数千ドルが追加されると予想されます。

現在、太陽光発電は公益事業との競争にいくらか困難を感じていますが、研究によって技術が向上するにつれてコストが下がっています。支持者は、PVがいつの日か都市部だけでなく遠隔地でも費用効果が高くなると確信しています。問題の一部は、可能な限りコストを削減するために、製造を大規模に行う必要があるということです。しかし、そのようなPVの需要は、価格が競争力のあるレベルに下がるまで存在しません。それはキャッチ22です。それでも、需要とモジュールの効率が絶えず上昇し、価格が下落し、世界が従来の電源に関連する環境問題をますます認識するようになるにつれて、太陽​​光発電には有望な未来がある可能性があります。

太陽電池と関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

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