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太陽電池の性能

太陽電池の基礎的な評価は、電流1余宅圧測定かいます。この測定からは、太陽電池の最も重要な特ある変換効率が求められ、太陽電池の良し悪しは流が本的にこの変換効率で判断されます。
1余宅圧測定は太陽電池の表面と裏面の電極圧源を入れた回路をつなげて行います。この回路は、測定のための電圧計と電流計が設置されています。実際の測定では、太陽電池に擬似太陽光を当の時の電流値と電圧値を電圧源の電圧を変えなが計測します
擬似太陽光は、キセノンンプなどの光源で作った擬似的な太陽光のこと通常の太陽電池測定には、強さの擬似太陽使用されます。また、太陽電池特性は温度によって変わるため、測定は一般に標準条件で行われます。
太陽電池の電流や電圧特性は、通常は四角形に近い形を示します。特に電圧が0Vの時の電流は短絡電流と呼ばれ、太陽電池に電ていない時の電圧を開放電圧といいます。

太陽電池から取り出される電力は電流と電圧を掛ることで求められ、最適動作点で発生した電力がそ太陽電池の最大出力になります。太陽電池の変換効はこの最大出力を入射光強度で割った値で示してす。例えば、変換効率30%の太陽電池では、入光の50%が電力として取り出されます射

太陽電池の特性

太陽電池特性は使用する半導体材料のバンドギャップによって大きく変化します。ここでは、このバンドギャップを半導体原子の電子状態から考えてみます。
最も簡単な電子構造を持つ水素原子では、原子核の周りに電子1個が存在し、この電子はある決まったエネルギーを持つ電子軌道上にあります。2個の水素原子が結合すると水素分子(比)になりますが、この水素分子では合計2個の電子をお互いに共有して安定な結合(共有結合)が作られます。この場合、水素原子の電子軌道は結合性軌道と反結合性軌道に分裂し、2個の電子が水素原子のエネルギーよりも低い結合性軌道に入ることでエネルギー的に安定化します。
一方、シリコン原子には合計で叫個の電子がありますが、一番外側の軌道上にある4個の電子(価電子)が最も重要になります。この4個の電子は、3s・3pと呼ばれる2つの電子軌道に2個ずつ入っています。シリコン原子によりシリコン結晶を形成すると、水素分子の時と同じように、シリコン原子の4つの電子はお互いに共有され、4つの安定な共有結合ができます。しかし、半導体では非常に多くの原子が電子を共有するため、それぞれの軌道は圭なり合い、帯(バンド)が形成
されます。その結果できるのが、価電子帯、禁制帯、伝導帯です。水素分子の電子状態と比較すると、価電子帯と伝導帯は、それぞれ結合性軌道と反結合性軌道に対応することがわかります。

半導体のバンドギャップは禁制帯の幅を示し、水素分子では結合性と反結合性軌道の分裂幅に相当します。つまり、半導体のバンドギャップは、原子がお互いに結合し、安定化する時にできるエネルギー的な飛びで、構成原子の電子状態から決定される材料固有の値です。

電気の秘密

太陽電池に光を当てると、外部回路には電流が流れ、同時に電圧も発生します。この現象は半導体のバンド図から理解することができます。半導体のバンド図は、価電子帯、禁制帯、伝導帯により示されます。p型半導体には多くの正孔が存在
し、価電子帯には電子の抜けた穴が多くあります。|方、n型半導体では不純物から放出された多数の電子が伝導帯に存在しています。

バンド図は電子のエネルギー状態を示しており、電子はエネルギーの低い軌道から順につまっていきます。この電子がつまっている高さ(エネルギー)をフエルミレベル言)と呼びます。半導体p層には多数の正孔が存在するため、酢は価電子帯の近くにあり、逆に、層では酢は伝導帯の近くにあります。さらに不純物を入れていないi層では、酢は禁制帯のちょうど真ん中にあります。
ここで、pn接合を形成し、p層.n層を外部回路により短絡(ショート)させた場合を考えましょう。この時には、p層.n層の酢は一致し、pn接合部には帯(バンド)が曲がった領域ができます。この部分が、pn接合部の正負の電荷により形成される内部電界を表しています。

光照射によってできた電子と正孔は、この内部電界によりそれぞれ、層とp層の方へ移動し、電子は外部回路を通ってp層の正孔と再結合します。そのため、太陽電池に光を当てると、回路内には短絡電流と呼ばれる電流が流れます。

一方、外部回路をつなげず開放にすると、光により生じた電子と正孔はそれぞれ、層.p層内に蓄積され、開放電圧と呼ばれる電圧が発生します。この場合、pn層の酢の差が開放電圧に相当します。通常の太陽電池では、外部回路に負荷(抵抗)を入れることによって、電流と電圧を同時に取り出しています。

太陽電池の耐久性はどの程度あるのか?

設置後に、太陽電池が壊れたり性能が劣化したりしないかと心配な方もいるかもしれません。しかしその点はあまり心配ありません。太陽電池の表面は強化ガラスで、カラスが突っついたり風で飛ばされた木の枝が当たったりしたくらいでは、まず傷む ことはありません。 また仮に太陽電池表面のガラスが一部割れたとしても、該当するセルやモジュール がまったく発電しなくなることはありません。というのも、|部の電極が破損しても、その不良箇所を迂回して、隣の電極などを通して電気が流れるように設計されているからです。

専門的にはバイパス処理と言いますが、セルの一部がだめになっても、発電室がゼロにはならないような配慮がなされているのです。
ただこのような場合、バイパスがいき過ぎると、隣接する電極などに必要以上の電気が流れて負荷が増え、そこが熱を持って電極が切れたり焦げたりすることがあります設置業者の間では 「ホットスポット」などと言っていますが、このような現象には注意が必要です。

また割れた箇所や隣接する箇所の発電にはほとんど問題がなくても、まれに割れた箇所から水が入り込んで電極が破損し、モジュール全体の発電に悪影響が出る場合もあります。

モジュール表面が割れた場合でも、すぐに発電量に大きな影響が出ないケースが多いですが、なるべく早めの交換をお勧めします。せっかくの旧年保証は有効に利用して、常に最良のシステム状態を保ちましょう。

どんな屋根にも太陽電池は載るか?

太陽電池を屋根の上に付ける場合、下の屋根材との間を専用金具でとめて固定することが一般的です。現在、太陽電池メーカーの努力もあって、多種多様な屋根の素材にもモジュール設置が可能になってきています。

とはいえ、例えば設置が基本的に可能な瓦にしても、何百種類ものタイプが流通していて、なかには設置が困難だったり不可能だったりするものもあります。
また大手のハウスメーカーの中には、屋根材の下地に断熱材を入れてチップ材でサンドウィッチ構造にしたものを使用するケースがあります。その種の屋根材のボードには基本的にビスが効かず、太陽電池の固定ができません。|例では三井ホームがそのような素材を用いることがあります。提携しているシャープ製の太陽電池は設置できますが、他のメーカーのものでは対応できません。

また木造や鉄骨の建物には「垂木」という屋根を支える構造部分が設けられることが多いのですが、この垂木を無くす工法も増えています。そのような家屋でも垂木固定が標準となっているメーカーでは、太陽電池の設置が難しい場合があります。同様 に、あらかじめ工場で作ったコンクリートの屋根パネルを施工現場ではめる「陸屋根」を用いた家屋の一部でも、設置が困難な場合があります。

このように、屋根材と屋根下地の素材、構造(垂木の有無など)によっては、設置できる太陽電池のメーカーが限られたり、そもそも設置が難しいといった場合もあります。そのあたりは素人にはわからないため、メーカーや販売店にしっかり確認しましょう。無理に設置して、強風で飛ばされたり、雨漏りしてしまったりすることがないように注意してください。