ソーラーセル：動作原理と構造（図付き）
ソーラーセルとは何か
ソーラーセル（光電池またはPVセルとも呼ばれる）は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機器です。これは基本的にp-n接合ダイオードです。ソーラーセルは、光にさらされたときに電流、電圧、抵抗などの電気特性が変化する光電池の一種です。
個々のソーラーセルは組み合わせて一般的にソーラーパネルと呼ばれるモジュールを作ることができます。一般的な単接合シリコンソーラーセルは、約0.5〜0.6ボルトの最大開路電圧を発生させることができます。単独ではあまり大きな電力ではありませんが、これらのソーラーセルは非常に小さいです。大規模なソーラーパネルに組み合わさると、かなりの量の再生可能エネルギーを生成することができます。
ソーラーセルの構造
ソーラーセルは基本的に接合ダイオードですが、その構造は従来のp-n接合ダイオードとは少し異なります。比較的厚いn型半導体上に非常に薄いp型半導体層を形成します。その後、p型半導体層の上にいくつかの細い電極を適用します。
これらの電極は、光が薄いp型層に到達することを妨げません。p型層の直下にはp-n接合があります。また、n型層の底面に電流収集電極を設けます。全体の組み立てを薄いガラスでカプセル化して、ソーラーセルを機械的なショックから保護します。
ソーラーセルの動作原理
光がp-n接合に到達すると、光子は非常に薄いp型層を通じて容易に接合に入ることができます。光エネルギーは、電子-ホール対を生成するのに十分なエネルギーを接合に供給します。入射光は接合の熱平衡状態を破ります。デプレーション領域の自由電子は、迅速に接合のn型側に移動できます。
同様に、デプレーション領域の穴は迅速に接合のp型側に移動できます。新しく生成された自由電子がn型側に到達すると、接合のバリアポテンシャルによってさらに接合を横断することはできません。
同様に、新しく生成された穴がp型側に到達すると、同じバリアポテンシャルにより接合をさらに横断することはできません。電子の濃度が高い一方（つまり、接合のn型側）で、穴の濃度が高いもう一方（つまり、接合のp型側）になると、p-n接合は小さな電池のように振る舞います。写真電圧と呼ばれる電圧が設定されます。もし私たちは接合に小さな負荷を接続すると、小さな電流が流れることになります。
光電池のV-I特性
ソーラーセルに使用される材料
この目的のために使用される材料は、バンドギャップが約1.5eVに近いものでなければなりません。一般的に使用される材料は以下の通りです。
シリコン。
GaAs。
CdTe。
CuInSe2
ソーラーセルに使用される材料の基準
バンドギャップが1eVから1.8eVである必要がある。
高い光学吸収性を持つ必要がある。
高い電気伝導性を持つ必要がある。
原材料が豊富に存在し、材料のコストが低い必要がある。
ソーラーセルの利点
汚染がない。
長期間使用できる。
メンテナンスコストがかからない。
ソーラーセルの欠点
設置コストが高い。
効率が低い。
曇った日や夜間にはエネルギーを生成できない。
太陽光発電システムの用途
バッテリーの充電に使用される。
照度計に使用される。
電卓や腕時計の電源として使用される。
宇宙船で電気エネルギーを提供するために使用される。
結論：ソーラーセルにはいくつかの欠点がありますが、技術が進歩することでこれらの欠点は克服されることが期待されます。技術が進歩することで、ソーラープレートのコストや設置コストが低下し、誰もが設置できるようになるでしょう。さらに、政府は太陽光エネルギーに重点を置いており、数年後にはすべての家庭や電気システムが太陽光または再生可能エネルギー源によって動かされるようになることが期待されます。
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