太陽電池は、光エネルギーから直接電気エネルギーを抽出する太陽エネルギー発電システムの基本単位です。太陽電池の動作はその光起電力効果に完全に依存しており、そのため太陽電池は光起電力セルとも呼ばれます。太陽電池は基本的に半導体デバイスです。光が当たると太陽電池は電気を生成し、セルの端子間に生じる電圧または電位差は約0.5ボルトで固定され、これは入射光の強度にはほとんど影響を受けません。一方、セルの電流容量は入射光の強度および光に曝される面積にほぼ比例します。各太陽電池には、他のタイプのバッテリーセルと同様に、正極と負極があります。一般的に、太陽電池または光起電力セルは負極が前面接触部、正極が背面接触部となっています。これらの2つの接触部の間に半導体のp-n接合があります。
日光がセルに当たると、光の一部の光子が太陽電池によって吸収されます。吸収された光子の中には、半導体結晶の価電子帯と導電帯の間のエネルギーギャップよりもエネルギーが高いものがあります。したがって、価電子の1つが1つの光子からエネルギーを得て興奮し、結合から飛び出し、電子-正孔対を1つ生成します。これらの電子-正孔対の電子と正孔は、光生成電子と正孔と呼ばれます。p-n接合近くの光生成電子は、接合を横切る電場の静電力を受けてn型側に移動します。同様に、接合近くで生成された光生成正孔も同じ静電力によりp型側に移動します。このようにしてセルの両側間に電位差が生じ、これら両側を外部回路で接続すると、太陽電池の正極から負極へ電流が流れ始めます。これが太陽電池の基本的な動作原理です。次に、太陽電池または光起電力セルの評価に影響を与える異なるパラメータについて説明します。特定のプロジェクトのために特定の太陽電池を選択する際には、太陽パネルの評価を知ることが重要です。これらのパラメータは、太陽電池がどれだけ効率的に光を電気に変換できるかを示します。
太陽電池が自己の構造を損なうことなく供給できる最大の電流です。これは、セルが最大出力を生み出す最適な条件下でセルの端子をショートサーキットさせて測定されます。「最適な条件」という用語を使用したのは、露出しているセル表面が固定されている場合、太陽電池における電流生成速度は光の強度と光がセルに当たる角度にも依存するためです。電流生成が光に曝されるセルの表面積にも依存するため、最大電流密度を最大電流で表現する方が良いです。最大電流密度またはショートサーキット電流密度評価とは、最大またはショートサーキット電流とセルの露出表面積の比率のことです。
ここで、Isc はショートサーキット電流、Jsc は最大電流密度、A は太陽電池の面積です。
これは、セルに負荷が接続されていない状態でセルの端子間の電圧を測定することで得られます。この電圧は製造技術や温度に依存しますが、光の強度や露出面積にはそれほど依存しません。通常、太陽電池の開放電圧は約0.5〜0.6ボルトです。通常、Voc で表されます。
太陽電池が標準テスト条件下で供給できる最大の電力です。太陽電池のV-I特性を描くと、最大電力は特性曲線の屈曲点で発生します。これは、太陽電池のV-I特性においてPm で示されます。
最大電力が発生する電流です。最大出力点での電流は、太陽電池のV-I特性においてIm で示されます。
最大電力が発生する電圧です。最大出力点での電圧は、太陽電池のV-I特性においてVm で示されます。
最大出力点での電流と電圧の積に対するショートサーキット電流と開放電圧の積の比です。
これは、セルへの放射電力入力に対する最大電力出力の比であり、百分率で表されます。地球面上の放射電力は約1000ワット/平方メートルであるとされています。したがって、セルの露出面積がAの場合、セル全体の放射電力は1000 Aワットとなります。よって、太陽電池の効率は以下の式で表されます。
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