ソーラー パネルはエネルギーの未来を表しています。ただし、分子レベルでの特定のエネルギー障壁により、市販の太陽電池で記録された最大効率は 33% です。
「太陽と太陽エネルギーにお金をかけます。なんというパワーの源！石油と石炭が枯渇するまで待つ必要がないことを願っています。」 - トーマス・エジソン
世界中の誰もが、エネルギーに対する人類の欲求を満たすという点で、再生可能エネルギーが前進する唯一の方法であることに固く同意する必要があります。グレタ・トゥーンベリは、この世界で最も先進的な国の最も強力な指導者の前で、何度かこの点を強調しようとしました.しかし、私たち全員が見たように、彼女は実際に批判されました 彼を「リーダー」と呼ぶのは一筋縄ではいかないように感じますが、アメリカのドナルド・トランプ大統領を含むいくつかの世界の指導者によって。重要なのは、専門家は皆、グレタが正しいことを知っているということです。ただし、グレタが言及したさまざまな環境に優しい電力の代替案に関しては、それぞれに独自の制限があります.
風速は大きく変動するため、1 日のほとんどの時間、信頼できません。ダムを建設することはできますが、ダムで全世界に電力を供給することはできません。しかし、太陽光は地球全体で日中自由に利用できるので、不思議に思うかもしれません…そこに異議があるのは何ですか?まあ、最大 これまでに記録された市販の太陽電池の効率は 33.7% でした。これはソーラー業界にとって最大の課題の 1 つですが、ソーラー パネルの効率にこのような制限があるのはなぜでしょうか?その答えはすぐにわかりますが、最初に、太陽電池とは正確には何であるかを理解することが重要です。
太陽電池とは?
太陽電池は、直射日光の形で太陽のエネルギーを取り込み、電気エネルギーに変換するデバイスです。太陽電池は、光電池とも呼ばれます。 これは、光に含まれる光子を電圧差 (本質的に「電力」を意味する) に変換することを意味します。太陽電池の限界を理解するには、その構造を詳しく調べる必要があります。
シンプルな p-n ジャンクション (写真提供:Designua/Shutterstock)
太陽電池は、p 型と n 型のシリコンウェーハを使用して作られています。 p型シリコンウェーハはより多くのホールで構成されています。つまり、電子が不足しているのに対し、n型ウェーハは電子が過剰です。この2つが接触する界面を接合（正確にはPN接合）と呼びます。 PN ジャンクションは、太陽電池の主要なビルディング ブロックです。
太陽電池の効率とはどういう意味ですか?
私たちが使用するすべてのデバイスには、それに関連する特定の効率があります。 1 時間に 10 個の風船を製造する機械を考えてみましょう。これらの 10 個のバルーンのうち、2 個のバルーンに穴またはその他のタイプの欠陥があることが判明しました。これは、機械が 10 個の風船を製造するのに必要な原材料を取り込んでいるが、その 80% しか有用な出力に変換していないため、機械の効率が 80% であることを意味します。したがって、デバイスの効率は、デバイスに供給される入力の単位ごとに生成される有用な出力の量を表します。
すべてのエネルギー生成メカニズムには、特定の効率限界があります。 (写真提供:rawf8/Shutterstock)
同様に、太陽電池に入射した放射線は、完全に電気に変換されるわけではありません。そのエネルギーの特定の部分 (すでに見たように、はるかに小さい部分) だけが、有用な仕事として抽出できます。太陽電池の効率にはさまざまな尺度がありますが、最も一般的なものは Shockley-Quisser Limit です。 .
Shockley-Queisser 限界とは?
より一般的には SQ 限界として知られている Shockley-Quisser 限界は、太陽電池の効率に関する最も著名な科学的尺度です。 標準的なテスト条件で単一の PN 接合太陽電池セルの理論上の効率を測定します。 （STC）。 STC は、太陽電池の表面が太陽に直接向けられた状態で、米国本土の春分と秋分の太陽正午を近似します (太陽効率限界)。
制限は、特定の仮定の下で測定されます。太陽電池は、1 種類の均質材料のみで構成されている必要があります。太陽電池ごとに 1 つの p-n 接合しか存在できず、バンドギャップよりも大きなエネルギーを持つすべての光子が電気エネルギーに変換されると想定されています。光子やバンドギャップの意味を知らなくても心配しないでください。それらについては以下で説明します。
効率に限界があるのはなぜですか?
太陽電池を使用して電気を生成するプロセスは、主に 1 つの非常に重要なステップに依存しています。価電子帯 (太陽電池の PN 接合) から伝導帯 (バッテリーなどの外部回路) への電子のジャンプ。参考までに、外部からエネルギーが供給されていない通常の原子の電子は、価電子帯にあると言われています .電気を生成するには、これらの電子を伝導帯と呼ばれる外部回路に転送する必要があります。 .
異なる材料間のエネルギー バンドギャップ (写真提供:udaix/Shutterstock)
電子は、価電子帯から伝導帯に自分自身でジャンプすることはありません。 バンドギャップと呼ばれる一定量のエネルギー 移行を行うには、提供する必要があります。
光の波長帯スペクトル (写真提供:Fouad A. Saad/Shutterstock)
現在、入射する太陽放射は、上のスペクトルに示されているように、多くの異なる波長の波で構成されています。左側の長い波は最も弱く（エネルギーが少ない）、右側の短い波はより強力です。そのため、これらの波のうち、エネルギー障壁を克服するために必要なエネルギーを持っているのはごくわずかです。
前述のプロセスをよりよく理解するために、例を見てみましょう。シリコン製の太陽電池に当たる、異なる波長の 100 個の波からなる光子 (光の粒子) のパケットを考えてみましょう。この 100 個の波のうち、40 個の波はシリコンのバンドギャップに相当するエネルギーを持っているため、電気を生成することができます。残りの波は、熱として消散するか、セルの表面から跳ね返ります。したがって、太陽電池の効率には限界があります。
効率に影響を与えるその他の要因は何ですか?
これまで見てきたように、電子遷移のエネルギー障壁のしきい値が、ソーラー パネルの効率が低い主な理由であることが判明しました。ただし、影響を与える要因はそれだけではありません。ここで重要な役割を果たす要素は他にも多数あります。
オゾン層は、高エネルギーの紫外線が地表に到達するのをブロックします。 (写真提供:Designua/Shutterstock)
太陽から出るエネルギーと地球上で受け取るエネルギーは同じではありません。これは、放射線が地球を取り囲む厚い大気を通過しなければならないためです。現在、光の散乱や屈折などのさまざまな現象がその強度を低下させています。オゾン層は、有害な紫外線が私たちに届くのを防ぎます (これらの波は、より多くのエネルギーを持っているため、目の細胞に損傷を与える可能性があるため、私たちにとって有害です)。ただし、これらは閾値エネルギーを超えることができる波であり、まばらに表面に到達するため、ソーラーパネルの効率が再び低下します.
問題の解決策はありますか?
現在入手可能な市販の太陽電池のほとんどは、変換率が 33% を超えることはできませんが、未来は明るいようです。ケンブリッジ大学でフレキシブル LED および次世代太陽電池用のペロブスカイト材料に取り組んでいる研究者は、化学組成の規則性が低いほど (この記事の範囲外のことです)、より効率的になり、製造プロセスが大幅に簡素化され、コスト削減-Physics.org.
ここでも、世界中の科学者が、窒化ガリウム、ゲルマニウム、リン化インジウムなどの新しい材料に取り組んできました。多くの人は、これらの材料が多接合太陽電池のバンドギャップ限界を変えることにより、完全な太陽スペクトルを効果的に使用して電気に変換すると信じています。全体として、ソーラー産業の未来は明るいようです。
最後の言葉
オーストラリアとアマゾンの山火事は、信じられないほどの量の炭素を大気中に放出したため、地球は 2050 年まで炭素を吸収できない可能性があります。地球温暖化はもはや将来の問題ではありません。それは完全な現実であり、それを否定する必要はありません。環境保護主義者は、グリーン エネルギーが前進する唯一の方法であると世界に伝えることに疲れ果てていますが、一部の指導者はいまだに真実に躊躇しています。
太陽電池の効率が低いことは、化石燃料の代替として太陽電池を使用しない理由として一般的に挙げられてきました。しかし問題は、多国籍企業や政府が石油や石炭をベースにしたエネルギー生産の研究開発に巨額の資金を投入し続け、より環境に優しく安全な代替手段の研究と改善を怠っていることです。たとえば、エネルギー バンドギャップが小さく、目前の問題を解決する可能性のある材料が発見されていますが、この種の研究に世界が注意を払い、投資する必要があります!
世界が理解し、受け入れる必要があるのは、私たちが人類の存続を望むなら、進むべき道は 1 つしかないということです。それは、環境に優しく持続可能な方法です!
