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太陽光発電ってどういう仕組みなの?

2009 - 07/06 [Mon] - 19:57

こんにちわ。
今日はあいにくの梅雨空ですが、
日本列島に1年間に降り注ぐ太陽のエネルギーは……

  5×1010kW ――に達するそうです。

そんなこといわれてもピンときませんが、
これは日本が1年間に消費するエネルギーのナンと100倍
太陽のエネルギーはとてつもなく大きいんですね。

しかし太陽光を含めた自然エネルギーには大きな欠点もあります。
それはエネルギー密度が低いっていう点。
仮に、日本で消費される全エネルギーを【太陽光発電】で賄うとしましょう。
エネルギー変換効率を20%とした場合、
国土一面にパネルを敷き詰めたときに得られるエネルギーは必要量の20倍です。
ということはその20分の1で十分なわけですから……

ほぼ群馬県と新潟県に太陽電池を敷き詰めればOK

でも、実際にはそんなこと不可能でしょ?
故郷を失ったまにあっくたちは、いったいどこに行けばいいんでしょう(T_T)
これが太陽エネルギーの限界で、
1ヶ所で大量のエネルギーを”生産”する集中型には不向きです。
さらに、それだけで石油にとって代われるような万能のエネルギーでもありません。

だからといって、無尽蔵に得られるエネルギーをみすみす見過ごす手はない!
そこで日本各地に散らばって”生産”する分散型が合ってるわけだから、
各家庭ごとに【太陽光発電】を設置する方法が一番理に叶ってるんです。
そしてゆくゆくは……

家で消費するエネルギーは自分の家で自給する

そうなれば、大幅なCO2の削減が達成できます。
貴重な石油資源の節約にも貢献するでしょう。
これがまにあっくの夢見る理想形です。

これを実現するためには2つのアイテムが揃わなくっちゃいけません。
まず最初に貴重なエネルギーを垂れ流しにしないスリムな家が必要で、
これが断熱性と気密性を高めた家というわけ!
そしてもう一つ必要なアイテムが、
性能とコストのバランスのとれた太陽電池です。
そういうわけで、太陽電池には非常に期待してます

ところが一口に太陽電池といっても、
細かな違いを見ていくとそれこそ千差万別! 簡単に分類できないほど多様です
その中で、現在【家庭用太陽電池】の主流になっているのが、
みなさんがよく目にするシリコン太陽電池(結晶系)です。

そこで今日の本題。
シリコン太陽電池の仕組みをまにあっくしちゃいましょう!

ところで、そもそもシリコンって何?
【silicon】とは「ケイ素」のことで元素記号は Si です。
地球上には二酸化ケイ素(SiO2)として大量に存在します。
このシリコンの酸化物がシリカ(silica)であり、その結晶の一つが石英です。
二酸化ケイ素はガラスの原料にもなりますよ!

シリコンには面白い特徴があり、
方向により電気を通したり通さなかったりします。
これを【整流作用】といい、
そのような働きを持った物質を半導体と呼びます。
「半分だけ導体」っていうわけで、
名前の通り【導体】と【絶縁体】の中間の性格を持っています。

半導体

ただし純度100%のシリコンは、
電気をほとんど通さない【絶縁体】に近い【半導体】です。
ところがこれに”不純物”を少々加えることで、 これをドーピングといいます
お好みの【半導体】を得ることができるんです。

シリコンは炭素族元素の一つで、その原子番号は「14」です。
陽子と中性子で構成される原子核の周りを14ヶの電子( e- )が回ってます。

シリコン原子

重要なのは最外殻の4つの e- で、これを価電子といいます。
落ちつきがなくて”動きやすい電子”と考えていただけばOK。
【半導体】に限らず、化学反応で活躍するのもこの価電子です。
有機化合物の”核”となる炭素(C)もシリコンと同じ炭素族元素だから、
やっぱり4ヶの価電子を持ってます。
そこで、こう喩えられる……

炭素には4本の手がある

同じように、シリコンにも”4本の手”があるわけです。

ここで”純粋なシリコン”の中に、
5ヶの価電子を持つリン(P)をちょっとだけ混ぜてみましょう。
すると e- が1ヶ多いですから、
これは”とても動きやすい電子”になります。

このように e- を余分に持っている半導体を、
n型半導体(negative semiconductor)といいます。
【negative】っていうのは「陰性」という意味です。

それとは反対に、
価電子を3つしか持たないホウ素(B)を混ぜるとどうなるでしょうか?
すると今度は価電子が1ヶ不足しますから、
そこは e- が抜けた”穴”のような状態になります。
これを正孔(hole)と呼び、
の電荷の運び屋(キャリア)として振る舞います。

いってみれば”お化け ”みたいなもんですが、
そこには電気的にの粒子があるのと同じことなんです。
このように e- が少なくて正孔を有する半導体を、
p型半導体(positive semiconductor)といいます。
【positive】っていうのは【negative】の反対、つまり「陽性」という意味です。

さて、そろそろ”発電”しましょうね。
まず【n型半導体】と【p型半導体】を図示するとこんな感じ……

図をクリックすると拡大します
太陽電池-1

これをくっ付けたのが太陽電池で、pn接合型とも呼ばれるゆえんです。
2つの性質の異なる半導体を接合すると、
境界(界面)付近で拡散が生じて e- と正孔がくっ付きます。
ここは e- と正孔が少ない領域になりますから、
空乏層(depletion layer)と呼ばれます。

図をクリックすると拡大します
太陽電池-2

すると【n型半導体】の界面は e- が少なくなるから、
相対的にに帯電するでしょ?
一方【p型半導体】の界面では正孔が少なくなるので、
同じ理由からに帯電します。
こうして【n型半導体】から【p型半導体】に向かって内部電界が生じ、
太陽光に当たっていない太陽電池はこの状態になってます。

それでは、太陽光を当ててみましょう。
シリコンは近紫外線~1200nmの電磁波を吸収するので、
最外殻の価電子が太陽光のエネルギーで”元気”になります。
専門的には電子が励起されるといい、
太陽電池が高エネルギー状態に遷る(遷移する)わけです。
すると空乏層でくっ付いていた e- と正孔は、
再び分かれてそれぞれ”独身時代”の自由な身に戻ります。

ただし内部電界が働いているので、
e- は電界の向きとは逆の【n型半導体】に弾き出されます。
溢れた e- を電極から外部回路に取り出し、
ぐるっと回ってこれを【p型半導体】に再投入しましょう。
するとそこには、”よりを戻す”ために正孔が待ってる!
の電荷を帯びていますから、
正孔は電界と同じ向きに弾き出されるんです。

図をクリックすると拡大します
太陽電池-3

この【図】では【n型半導体】が上、【p型半導体】が下になってます。
実際に屋根に乗っかってるのがこの状態です。
外部回路の中を e- が移動すると、
それとは逆向きに電流が流れることになります。
こうしてめでたく……

太陽光のエネルギーを電気に変換――することができました\(^o^)/

以上が、シリコン太陽電池の大まかな仕組みです。
何となくわかっていただけましたか?

ところで、似たような話をどこかで聞いた覚えがありませんか?
そこで植物の光合成を思い出して!
明反応の光化学反応の仕組みも、
要はシリコン太陽電池と同じだったでしょ?
両者が違っている点は……

  1.クロロフィルが増感色素となり、集めたエネルギーで電子を弾き出す
     →→→シリコン太陽電池は最初から”動きやすい電子”を仕込んである
  2.生じた正孔の穴埋めには、水(H2O)を電子供与体として利用する
     →→→シリコン太陽電池は電子を循環させる
  3.太陽光のエネルギーを化学エネルギーに変換する
     →→→シリコン太陽電池は電気エネルギーに変換する

形は違っても、やってることは同じようなことです。
ただし、光合成のエネルギー変換効率は30%以上。
対するシリコン太陽電池のエネルギー変換効率は、
ようやく20%に手が届くところ。
理論的にも30%を超えるのは困難と考えられています。

この勝負、光合成の勝ち  自然はやっぱり凄い(>_<) 

そこで頭を垂れて”自然の智恵”を拝借するために、
植物の光合成が盛んに研究されているのです。



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