ソーラーセル自作入門：光起電力技術のステップバイステップガイド

シンプルなソーラーセルの作り方（ステップバイステップ）｜光起電力セルの基本動作原理

ソーラーセル（光起電力セル）の概要

ソーラーセル（光起電力セル）は、化学作用または太陽光を電流に変換することで電流を生成するデバイスです。本記事ではソーラーセルに焦点を当てます。

ソーラーセルは光起電力セルとも呼ばれ、表面が太陽光にさらされると電流を生成します。本記事では太陽光を電磁放射（EM放射）と呼びます。

ソーラーセルでは、セル表面に到達する電磁放射の強度に応じて発電量が決まります。ソーラーセルは電磁放射を直流電流に変換します。つまり、ソーラーセルは太陽から届く電磁放射を電気エネルギーに変換する半導体接合デバイスです。前述の通り、生成される電流は直流です。

光起電力／ソーラーセルの基本動作原理

ソーラーセルの動作原理は、シリコンなどの半導体における伝導と類似しています。写真の暗色面が太陽光を受ける部分です。電磁放射がセル表面に衝突すると、電子が励起され、あるエネルギー準位（軌道）から別の準位へジャンプし、正孔（ホール）を残します。

これらの正孔が正の電荷キャリアとして、電子が負の電荷キャリアとして働きます。誤解のないよう補足すると、電子や正孔自体が電荷を構成するのではなく、電荷を「運ぶ」役割を果たします。これにより電磁放射が電気エネルギーに変換されます。ソーラーセルは基本的にシリコンやセレンなどの半導体から作られ、これらが最も広く使用されています。

これをより深く理解するため、ソーラーセル製造に広く使用される半導体材料の種類を見てみましょう。

半導体の種類

半導体には真性半導体と不純物半導体の2種類があります。

真性半導体：

不純物を添加せず、純粋な形態の半導体です。導電性を高めるためのドーピングを行っていません。絶対零度（0℃）では自由電子と正孔がほとんど存在せず、伝導しません。

不純物半導体：

純粋ではなく、ドーピング（導電性向上のための不純物添加）が施された半導体です。半導体をドープすると、以下の材料が得られます：

• P型半導体

  シリコン、セレン、ゲルマニウムなどを三価元素（価電子3個、例：ホウ素）でドープして形成されます。正孔（正の電荷キャリア）が多数キャリアとなります。

• N型半導体

  電子（負の電荷キャリア）が多数キャリアです。シリコンなどを五価元素（価電子5個）でドープして形成されます。

• PN接合半導体

  P型とN型半導体を接触面を高温で溶着（完全には溶かさず一体化）させて接合すると、オーダー10^-3mmの境界（接合面）が形成されます。これがPN接合です。接合の片側に高濃度の正孔、もう片側に高濃度の電子が存在するため、両キャリアが互いに反対側へ拡散します。

シンプルな光起電力／ソーラーセルの作り方？

シリコンとセレンがソーラーセル製造で最も広く使用される半導体です。ガリウム砒素、インジウム砒素、硫化カドミウムなども使用されますが、シリコンとセレンが主流です。

シリコンやセレン等の半導体材料は高価なため、シリコンを使用したソーラーセル製造と、身近な安価な材料を使ったソーラーセル製造の両方を紹介します。

安価な材料を使用すると、シリコンやセレンを使用した場合と同等の出力は得られません。また、電磁放射にさらされる材料表面積が大きいほど、より多くのエネルギーが生成されます。

シリコン半導体を使用したソーラーセルの構造

前述の通り、表面はP型材料です。P型層は薄く、光エネルギー（電磁放射）が接合部を貫通しN型材料に到達して、電子と正孔の拡散を可能にする必要があります。

P型材料周囲のニッケルメッキリングが正極出力端子、N型材料底部のメッキが負極出力端子として機能します。

シンプルなソーラーセルの作り方（ステップバイステップ）

シリコンを使ったソーラーセル製造を理解したところで、異なる材料を使った光起電力セルの製作方法を見てみましょう。酸化第一銅の代わりに、以下の材料を使用します。

必要な材料：

• ガラスプレート（顕微鏡用カバーガラスなど）
• 脱イオン水
• マルチメーター
• 透明テープ
• 浅い皿
• 電気ホットプレート（可能なら1100W）
• 二酸化チタン溶液
• カーボン（グラファイト鉛筆またはグラファイト潤滑剤）
• ヨウ化物溶液
• バインダークリップ
• ワニ口クリップ

前回の実験ではP型材料が太陽側を向き、N型材料より導電性が高かったです。ガラスは半導体で部分的な導電性を持ちます。2枚のガラスプレートの一方をP型、もう一方をN型として機能させるには、化学処理により一方を他方より導電性を高める必要があります。手順は以下の通りです。

1. 2枚のガラスプレートの表面をエタノールで徹底的に洗浄します。洗浄後は手で表面に触れないでください。
2. マルチメーターで両プレート表面の導電性を測定し、より導電性の高い面を確認します。プレートを並べ、一方の導電面を下向き、もう一方の導電面を上向きに配置します。
3. 透明テープでガラスプレートを固定します。テープは長辺のいずれかに沿って貼り、端から1mm程度オーバーラップさせます。また、上向きのガラスプレート外側にも4〜5mm幅でテープを貼ります。
4. 二酸化チタン溶液をガラスプレート表面に均一に滴下し、均等に広げます。下向きの導電面も覆うようにします。
5. 二酸化チタン塗布後、プレートを固定していたテープを剥がします。
6. 上向きの導電面を電気ホットプレート上に一晩置き、二酸化チタンを焼き付けます。下向きの導電面に付着した二酸化チタンを洗浄し、清潔な場所に置きます。
7. 浅い皿にブラックベリー、ラズベリー、ザクロジュースなどで作った染料を入れます。下向き導電面の二酸化チタン塗布プレートを少なくとも10分間浸します。
8. 二酸化チタンプレートが染料に浸かっている間、もう一方のプレートをエタノールで洗浄します。洗浄後、表面導電性を測定し、導電しない側をプラス（正極）としてマークします。導電面にグラファイト潤滑剤またはグラファイト鉛筆で全面を覆います。
9. 染料から二酸化チタン塗布プレートを取り出し、脱イオン水で洗浄後、エタノールで洗浄します。清潔なティッシュでエタノールを拭き取ります。
10. 2枚のプレートを、塗布面同士が接触するようにわずかにずらして重ね合わせます。バインダークリップで固定します。ずらすのは、端部を端子として使用するためです。
11. 陽光が当たる側の露出した塗布面にヨウ化物溶液を滴下し、塗布面全体を浸します。ヨウ化物溶液の役割は、電磁放射照射時に電子が二酸化チタン塗布プレートからカーボン塗布プレートへ流れるのを助けることです。余分な溶液は日光が当たる面から拭き取ります。
12. セルの両側の塗布面露出部分にワニ口クリップを取り付けます。グラファイト塗布面側のクリップが陽極、二酸化チタン塗布面側のクリップが陰極となります。クリップに導線を接続し、プレート表面に光が当たる位置に設置します。これでソーラーセルの完成です。マルチメーターで発生電圧と電流を測定できます。もちろんこの電圧ではスマホ充電はできませんが、こうしたソーラーセルを直列接続すれば可能です！

ソーラーセルを使用するメリット

ソーラーセル使用のメリットは以下の通り：

• 騒音を発生しない
• 燃料を必要としない
• 動力源（太陽光）が自然界に無料で存在する
• メンテナンスがほぼ不要

ソーラーセル使用のデメリット

ソーラーセル使用のデメリットは以下の通り：

• ある程度の電力を得るには、セル表面積を大きくする必要がある
• 雲で太陽が隠れると発電量が大幅に低下する
• 発電量の変動が大きいため、安定したエネルギー源として単独使用は困難

ソーラーセルの用途と応用

ソーラーセルはデメリットがあるものの、以下のような多数の用途があります：

• 直並列接続したソーラーセル群をバッテリー充電器として使用
• 衛星の電源として広く使用
• 複数ユニットのシリコン光起電力デバイスを、データ処理業界のパンチカード読み取りなどの光検出用途に使用
• 制御されたスペクトル応答特性を持つ金ドープゲルマニウムセルを赤外線検出器として使用

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