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太陽電池の性能評価と変換効率

太陽電池の性能評価と変換効率

太陽電池の性能評価で最も重要なのは電流ー電圧特性です。

電池における電流ー電圧特性とは、電池から取り出せる電流と、そのときの電圧の関係である、負荷を変化させながら電流と電圧の両者を測定すると得られます。

 

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太陽電池の性能評価

太陽電池の性能評価を行うためには、評価試験時の条件を一定に整えます。

基準となるのは世界共通の指標として定められ、STC(基準状態)です。

STCは大まかに
AM1.5の太陽スペクトル

測定時の温度 25度

光強度1kwm2という条件で表されます。

測定システムの例として、AM1.5の太陽光スペクトルはキセノンランプとハロゲンランプを組み合わせたソーラシミュレータを使用し、試験時に太陽電池を載せる基盤には、水冷システムと温度モニターをつないでセル温度を制御します。

ここに太陽電池を固定し、電流計、電圧計、負荷を接続して測定用の回路を作ります。

負荷には可変抵抗や可変電圧源などを用い、負荷を変化させながら、STC下で電流ー電圧特性を性格に測定します。

両端を開放した状態の電圧は開放電圧と呼ばれ、その太陽電池における最大電圧です。

また、両端を電圧0でショートさせると、最大電流である短絡電流が得られます。

太陽電池から取り出せる電力は、電流×電圧でもとめられ、電流ー電圧特性のグラフから、その最大値を求められます。

また、最大出力となる点を最適動作点とよびます。

そして、単位面積当たりの最大出力を光強度で割った値が太陽電池の変換効率です。

 

 

 

太陽電池の変換効率

変換効率が20%であったなら、光のエネルギーの20%にあたるエネルギーを電力として得られることになります。

単純なpn接合による変換効率の理論的な限界値は、約30%とされていますが、これには

①エネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを持つ周波数の光しか発電に利用できない。

②光の反射・透過がある。

③電極付近で電子・正孔の再結合が発生する。

などの理由によりエネルギーの損出があるからです。

実用化されている単結晶シリコン太陽電池セルの変換効率は20%を超え、研究室レベルでは25%に達しています。

また、変換効率ではやや劣るが、安価に製造できる多結晶シリコン太陽電池セルの変換効率も20%に近づいています。

安価で薄膜化可能なアモルファスシリコン太陽電池セルの変換効率は5~10%程度のため、電卓などの小電力の機器用であったが、結晶系シリコンをアモルファスシリコンがはさむHIT太陽電池が開発され、20%を超える変換効率を達成しました。

銅・インジウム・ガリウム・セレンなどの化合物を用いたCIGS系太陽電池が、セルレベルで20%に近い変換効率を達成しています。

また、宇宙用に用いられるGaAs単結晶太陽電池セルが25%超えを達成しているが非常に高価なのです。

 

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まとめ

 

単一の材料で作られた太陽電池の変換効率は、理論限界効率である30%に近づいていますが、これを超えるために、複数の素材を用いたり、集光したりするなどの工夫がなされています。

人類が抱えているエネルギー問題、

現在の暮らしを見つめなおして、

未来の暮らしを考えてみましょう。

それでは、最後まで読んでくださって

どうもありがとうございました!^^

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してくださると幸いです◎




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