ソーラー・モジュール(ソーラー・セル)の基礎

ソーラー・セル（太陽電池）またはPV の意味 ソーラー・セル、PV 、光電池などの言葉は、どれも「太陽光発電（Photovoltaic）」 をあらわす言葉です。 Photovoltaicという言葉は、Photo(光) とvoltaic(電圧） の二つの単語から構成されています。 「太陽光発電（Photovoltaic）」の効果 は、太陽光線の電気への変換にあります。 太陽光発電の科学的な調査は1839 年 に始まりましたが、1954 年まで有効なソーラー・セル（太陽電池）は作られませ んでした。 1954年になって、シリコン・ソーラー・セルが開発され、1959 年以 降、衛星専用の機器として利用されました。 結論 ソーラー・セル（太陽電池）は、シリコン、ガリウム砒素、 インジウムリン化物、 カドミウムテルル化物、インジウム銅 、 二セレン化炭素等のような半導体素材 から成っている装置です。 それは日光を吸収し、電気キャリアに変換した上で、 エネルギーを作り出すPN接合部で電子及び孔に分離します。 ソーラー・セルのPN接 合部が直流(DC） の電気機器に接続されれば、 それは作動可能です。

ソーラー・セル（太陽電池）のタイプ 製造の技術および半導体の種類によって、ソーラーセル(太陽電池)は３つのタイプに分類されます。 単結晶シリコンのソーラー・セル 多結晶性シリコンのソーラー・セル 非結晶系シリコンのソーラー・セル 結晶系シリコンから作られるソーラー・セル（太陽電池）には2種類あります。 単結晶（=モノ・クリスタライン）ソーラー・セルと呼ばれるタイプの物は、単一 の結晶ウェファーを薄くスライスして作られます。 一方、多結晶性（=マルチ・ クリスタライン）シリコンのソーラー・セルは、最初は棒状のシリコンをウェファー 状に組み合わせて作ります。 結晶系シリコンのソーラー・セルは非常に堅く、 薄いという特徴があります。 アモルファス(非結晶)・シリコンのソーラー・セルは、厚さが0.5 ミクロン(0.0005 ミリメートル)の極薄の上、軽量で、5-10% の効率をもつ薄膜技術の最も進んだ形と言えます。 ガリウム砒素、 カドミウムテルル化物、銅インジウムリン化物等のような他の半導体は、単結晶タイプと多結晶タイプのどちらもあります。 ガリウム砒素で作ったソーラー・セル（太陽電池）は20-25% にも達する高効率です。 ソーラー・セル（太陽電池）の構造 現在使用されている大部分の半導体は結晶シリコンで、 安価で最も利用しやすい 半導体といえます。 シリコンの結晶は、P型とN型の薄板状に分かれるので、ソー ラー・セル（太陽電池）を作ることにも利用されます。 シリコンは、それが結晶 になるまで純化されます。 そこに添加される原子により、P型域とN型域とを作 り出されます。 P型添加は、ホウ素をもつ原子を組み込む事で多くの孔を作り出し、N型添加は、リ ンを持つ原子を組み込むことによって、浮遊電子を生み出します。 PN接続点が 形成されると、ウェファー上に蒸着またはメタル・スクリーン・プリントする事に より、セルの前部そして後部に電気的接点が作り出されます。 ウェファーの後 部は金属によって完全にカバーされ、前部は金属の格子状か、極細の線になり、 裏側は金属を含み、シリコンを太陽からブロックします。 ソーラー・セル（太陽電池）はどのように作用するのか P型半導体とN型半導体の2 種の材料から構成されているソーラー・セル（太陽電池） の表面を、太陽光が照射すると、、ソーラー・セルは、電子及び孔として、荷電 粒子を生み出します。 接続点によって作り出される内部分野は、マイナス電荷 (電子) とプラス電荷(孔) に分ける。 孔はプラスかP層に押しやられ、同時に電 子はマイナスかN層に押しやられます。 光線の下では、回路が形成されると、ソー ラーセルから自由な電子は負荷を通過し、プラスの孔と再度結合し、電流が発生し ます。 例えば、 よく見られる直径が4 インチシリコンのソーラー・セル（太陽電池）は、 2 〜3 アンペアの電流と、およそ0.6 ボルトの電圧が作り出されます。 各セル の出力電流は非常に低いので、必要な電流量に達するために複数のセルが接続され、 モジュールが作られます。 そしてこれらのモジュールは接続され、アレーと呼 ばれるさらに大きい配列になります。 このアレーは、電流と電圧の必要量に応 じ、さらに接続される事もあります。 ソーラー・アレイが並列に接続されれば、出力電流は増加します。 ソーラー・アレイが直列に接続されれば、出力電圧は増加します。 ソーラー・セル（太陽電池）の製造 単結晶（モノクリスタライン）・ソーラー・セルの製造には、以下のような工程があります。 1400°Cで溶解状態にされたシリコンは、ゆっくり減温しながら引き上げられ、大型の単結晶インゴットが作られます。大型の単結晶インゴットは、単結晶ウェファーにスライスされます。 単結晶ウェファーに原子が添加され P型域およびN型域が形成され、そしてPN接合 点が作り出されます。 添加は高温拡散 (900-1000℃)状態で行われて、ウエファー は添加物と一緒に炉に送られ、蒸気にさらされます。 ―多結晶ソーラー・セルの製造には、以下のような工程があります。 溶解したシリコンが型に注がれ、ウエファー状にスライスされます。 単結晶ソーラーセルの製造と同様、多結晶ソーラーセルもP型域、N型域およびPN接合 の接続を形成します。 ―アモルファス(非結晶)ソーラー・セルの製造には、以下のような工程があります。 気体シラン(SiH4) はプラズマ化学蒸気沈殿装置によって反応します。 非結晶系 シリコンは、ガラス上または他の基板材質上にシリコンに反応気体を沈殿させる 事よって作り出されます。 層の厚さは1 ミクロン以下(0.001 ミリメートル) にな ります。 P型域、N型域およびPN接合 の接続点を形成する際に、添加物としてホスフィンとdiboraneが気体シランに反応します。 PN接合 の接続点はインジウムの錫の酸化物として半透明な接続点から形成されています。 ―ガリウム化合物 ソーラー・セルの製造には、以下のような工程があります。 ガリウム砒素の結晶は液体段階のエピタキシャルの炉で作られます。 P型およびN型地域は分子線エピタキシャル成長法装置によって作成される。 ソーラー・セル（太陽電池）の主な特長 自然の恵みである太陽光を利用しているため、無公害である事。 無限で再生可能なエネルギー源の効果的な利用である事。 どこにでも設置でき、直流（DC）電流を作り出し、利用する事ができる事。 太陽光の他には、燃料を必要としない事。 燃焼行程が無い為、空気及び水質の汚染がない事。 廃棄物を出さないので、環境に無害な事。 可動機構や可動パーツが無い為、作動時の機械ノイズがない事。 最小限のメンテナンスしか必要としない事。 長い寿命および効率安定している事。 軽量で、取付が簡単で、移設が可能な事。 モジュ−ル（規格パッケージ）の長所があるため、（枚数を組合せる事で）必要と されるあらゆるサイズ組み立てることができる点。 燃料、石炭および化石燃料の非常に熱い発電所から発生した一酸化炭素のようなガ スのコレクションを、二酸化硫黄、炭化水素および窒素、等減らしなさい。すべ ては地球温暖化の効果のような環境のエネルギーの影響を、地球温暖化、酸性雨お よび大気汚染、等減らす。 ソーラー・システム(太陽光発電システム)の主な構成物 ソーラー・セル（太陽電池）は直流（DC）電流を産出します。 従って、直流用機 器にしか互換性がありません。 ソーラーシステムの中で、交流（AC）電流用機器 を使用したい場合や、バックアップ電力を保存したい場合は、ソーラー・セルに加 えて、他の機器が必要となります。 それら必要機器は、以下のような物です。 ソーラー・セル は、太陽光を直流（DC）電流に変換し、その大きさはワットで表わされます。 1台以上のソーラー・セルが使用されると、必要とされる電流を作り出すために、 それらは相互に連結され、「ソーラー・アレイ」 と呼ばれます。 "ソーラー・ア レイ"は、直列に連結させる事で電圧を、並列に連結させる事で、電流を高める事が 可能です。 地理的な位置が異なれば、受け取れる一日あたりピーク日照時間 も異なります。 また温度の増加につれて、出力は減少します。 チャージコントローラーはソーラー・アレイからの電流を調整し、バッテリーに充電し、同時に過充電を防ぎます。 バッテリーがフル充電された場合、チャージコントローラーは充電を停止するか、 または減少させます。 ほとんどのソーラー・チャージコントローラーは、バッ テリーの電圧が、極端に低くなった時には、不可への電力供給を解除する「低圧時 接続解除（Low Voltage Disconnect）機能」も備えています。ソーラー・システムはバッテリーで電力の貯蔵する場合には、チャージコントローラーが必要とします。 バッテリーは、夜間や太陽光が利用できない時の為、または、その他の目的の為、ソーラー・アレイが作り出した電流を貯蔵します。 インバーター は、ソーラー・アレイで作り出された直流（DC）電流を、交流(AC）機器が利用で きるようにする為に、交流電流に変換する機器です。インバーターには、「正弦波」と「擬似正弦波」2 つのタイプがあります。 「正 弦波」インバーターはすべてのAC 装置と互換性があります。 「擬似正弦波」 インバーターはモーターを持たない機器、と電子キャパシタ付蛍光灯以外の全ての 機器に使用が可能です。 電光保護（Lightning Protection）は、落雷や高圧サージの誘導によって起こる電気機器のダメージを防ぐ装置です。 この装置は大型、または、重要なソーラーシステムに必要とされており、十分な 地落が取れている事は不可欠です。 ソーラー・セル（太陽電池）の使用例 太陽は最も魅力的な再生可能エネルギーで、より広く使用されています。 太陽光 エネルギーは、環境にやさしいエネルギーとして、日常生活の中で多くの目的に 利用されています。 例えば 住宅／家庭での利用例 照明装置、屋外の照明システム/装置(庭照明、車庫用照明、塀のランタン等) 、電 気機器、電動ゲート（門）、セキュリティシステム、換気装置、水ポンプ、水ろ 過装置、非常灯等。 水ポンプとしての利用 一般の使用、公共水利、家畜や植物への供給、農業、ガーデニング(家庭園芸)や家 庭菜園、採鉱や潅漑等。 照明システムとしての利用 バス停の照明、電話ボッ クスの照明、掲示板の照明、駐車場の照明、屋外の照明および街路照明等。 バッテリーの充電システムとしての利用 ; 非常時の電源システム、田園地帯でのバッ テリー充電センター、各家庭での使用に向けた電力供給、遠隔地での照明システ ム等。 農業での利用 水ポンプ、脱穀機 等。 家畜や養殖ための利用 魚養殖のための水ポンプや酸素補給システム、捕獲/殺虫用照明等。 医療センターでの利用 薬やワクチン、医療機器等を保管する為の冷却装置およびクーラーボックス等。 コミュニケーション(通信) 航空管制補助、航空警告燈、灯台、標識の航行補助 装置、照明付ロードサイン、行き先標識、鉄道の踏切標識、街路照明および非常 電話。 テレコミュニケーション面での利用 極超短波中継所、通信機器、携帯用通信設備 (市民コミュニケーションラジオや軍事演習等) 、気象観測所、等。 エンターテインメントやレクリエーションでの利用 ; 遠隔地にあるレジャーハウス の電源、携帯用バッテリーの充電システム、エンターテインメント用機器、等。 遠隔地域での利用 丘、島、森林および遠隔地域、等 商用電源の利用が不可能な場所。 宇宙技術での利用 衛星