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太陽電池:理論と実践における太陽電池と太陽電池
Aug 28, 2015

言葉   光起電性   ライトのためのギリシャ語と物理学者アレッサンドロヴォルタの名前の組み合わせです。 それは、太陽電池の手段による太陽光のエネルギへの直接変換を識別する。 この変換プロセスは、Alexander Bequerelによって1839年に発見された光電効果に基づいています。光電効果は、光が表面に当たったときの固体状態での正および負電荷キャリアの放出を表します。

太陽電池はどのように機能しますか?

太陽電池は様々な半導体材料で構成されています。 半導体は、光または熱が供給されると導電性になるが、低温では絶縁体として動作する材料である。

世界中で生産されているすべての太陽電池の95%以上が半導体材料のシリコン(Si)で構成されています。 地球の地殻の中で2番目に多く存在する元素として、シリコンは十分な量で利用できるという利点があり、材料を追加加工することは環境に負担をかけることはありません。 太陽電池を製造するために、半導体は汚染されているか、または「ドプされている」。 「ドピング」とは、半導体材料から正電荷キャリア(p型半導体層)または負電荷キャリア(n型半導体層)の余剰分を得ることができる化学元素の意図的導入である。 異なる汚染された2つの半導体層が組み合わされると、いわゆるp-n接合が層の境界になる。

  • 結晶太陽電池のモデル

この接合部では、内部電場が形成され、光によって放出される電荷担体が分離する。 金属接点を介して、電荷をタップすることができる。 消費者が接続されていることを意味する外部回路が閉じている場合、直流電流が流れる。

シリコンセルは、約10cm×10cmの大きさ(最近では、15cm×15cm)である。 透明な反射防止膜が細胞を保護し、細胞表面の反射損失を減少させる。

太陽電池の特性

  • Si太陽電池の電流電圧線

太陽電池からの使用可能な電圧は、半導体材料に依存する。 シリコンでは約0.5Vになります。終端電圧は光の放射に弱く依存しますが、電流の強さは光度が高いほど大きくなります。 例えば、100cm 2のシリコンセルは、1000W / m 2放射されたときに約2Aの最大電流強度に達する。

太陽電池の出力(電気および電圧の積)は温度に依存する。 セル温度が高くなると出力が低下し、効率が低下します。 効率のレベルは、放射された光量が使用可能な電気エネルギにどれだけ変換されるかを示す。

異なる細胞タイプ

単結晶、多結晶および非晶質の結晶のタイプに応じて、3つの細胞タイプを区別することができる。 単結晶シリコンセルを製造するには、絶対的に純粋な半導体材料が必要である。 単結晶ロッドは、溶融したシリコンから抽出され、薄いプレトに切断される。 この製造プロセスは、比較的高いレベルの効率を保証する。  
多結晶セルの製造はより経済的です。 このプロセスでは、液体シリコンがブロックに注がれ、その後にソイングされてプレトになる。 材料の凝固中に、様々なサイズの結晶構造が形成され、その境界に欠陥が現れる。 この結晶欠陥の結果として、太陽電池の効率が低下する。  
シリコン膜がガラスまたは他の基板材料上に堆積される場合、これはいわゆるアモルファスまたは薄層のセルである。 層の厚さは1μm未満(人毛の厚さ:50〜100μm)であるため、材料コストが低いため製造コストが低くなる。 しかし、非晶質細胞の効率は、他の2つの細胞型のそれよりもずっと低い。 このため、主に低電力機器(時計、ポケット電卓)やファサド要素として使用されています。

材料

%Labの効率レベル

%生産における効率のレベル

単結晶シリコン

約。 24

14〜17

多結晶シリコン

約。 18

13〜15

アモルファスシリコン

約。 13

5〜7

セルからモジュルへ

適切な電圧および出力を異なる用途に利用できるようにするために、単一の太陽電池が相互接続されてより大きなユニットを形成する。 直列に接続されたセルは、より高い電圧を有するが、並列に接続されるセルは、より多くの電流を生成する。 相互接続された太陽電池は、通常、アルミニウムまたはステンレススチルのフレムを備えた透明なエチルビニルアセテトに埋め込まれ、前面に透明なガラスで覆われています。

このようなソラモジュルの典型的な電力定格は、10Wpeakと100Wpeakとの間である。 特性デタは、セル温度25℃での1000W / m2の日射の標準試験条件を参照しています。 10年以上のメカの標準保証はかなり長く、今日の製品の高品質基準と期待寿命を示しています。

自然的な効率の限界

  • 標準条件における様々な太陽電池の理論最大効率

生産プロセスの最適化に加えて、太陽電池のコストを下げるために、効率のレベルを上げる作業も行われています。 しかし、異なる損失メカニズムがこれらの計画に限界を設定している。 基本的に、異なる半導体材料または組み合わせは、特定のスペクトル範囲にのみ適している。 従って、光量子(光子)が電荷キャリアを「活性化」するのに十分なエネルギを有していないので、放射エネルギの特定の部分を使用することができない。 一方、ある量の余剰光子エネルギは、電気エネルギではなく熱に変換される。 それに加えて、ガラス表面との接触による細胞表面のシャドイングまたは細胞表面上の入射光線の反射などの光学的損失がある。 他の損失メカニズムは、半導体および接続ケブルにおける電気抵抗損失である。 しかしながら、材料汚染、表面効果および結晶欠陥の混乱の影響もまた重要である。  
単一の損失メカニズム(エネルギが少なすぎる光子は吸収されず、余剰光子エネルギは熱に変換される)は、材料自身が課す固有の物理的限界のために、さらに改善することができない。 これは理論上の最大レベルの効率、すなわち結晶シリコンについて約28%に至る。

新しい方向

反射損失を低減するための表面構造化 :例えば、入射光が表面に数回当たるように、ピラミッド構造のセル表面を構築する。 新しい材料:例えば、ヒ化ガリウム(GaAs)、テルル化カドミウム(CdTe)またはセレン化銅インジウム(CuInSe2)。

タンデムまたは積み重ねられたセル :広いスペクトルの放射を使用できるようにするために、異なるスペクトル範囲に適した異なる半導体材料が、一方が他方の上に配置される。

濃縮細胞:   ミラおよびレンズシステムの使用により、より高い光強度が太陽電池に集中する。 このシステムは太陽を追跡し、常に直接放射を使用します。

MIS反転層セル:   内部電界は、p-n接合によって生成されるのではなく、半導体に対する薄い酸化物層の接合によって生成される。

グレッツェル細胞:   二酸化チタンを電解質とし、光吸収を向上させる染料を含む電気化学液体セル。

ドイツの太陽エネルギ基金の許可を得て使用されたテキストとイラスト(Deutschen GesellschaftfürSonnenenergie eV)

太陽熱および太陽光発電における基本概念の簡潔で分かりやすい解説は、Solar-Lexiconで見つけることができます。

テクノロジ、ビジネス、政治に関するレポト、革新的なシステムと製品に関するプレゼンテションは、Solar Magazineに掲載されています

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