太陽電池
背景
太陽光発電太陽電池は、太陽光を電気に変換する薄いシリコンディスクです。これらのディスクは、次のようなさまざまな用途のエネルギー源として機能します。電気通信;個々の家の屋上パネル;発展途上国の村の照明、ポンプ、医療用冷凍用。大きなアレイの形をした太陽電池は、衛星に電力を供給するために使用され、まれに、発電所に電力を供給するために使用されます。
電気の研究が始まり、単純な電池が作られ、研究されていたとき、太陽光発電の研究は驚くほど急速に続きました。 1839年には、アントワーヌセザールベクレルが化学物質のバッテリーを暴露していました。 それが電圧を生成するのを見るために太陽に。この太陽光から電気への最初の変換は1パーセント効率的でした。つまり、入射する太陽光の1パーセントが電気に変換されました。 1873年にウィロビースミスは、セレンが光に敏感であることを発見しました。 1877年、アダムズとデイは、セレンが光にさらされると電流を生成することに気づきました。チャールズ・フリッツは、1880年代に、金でコーティングされたセレンを使用して最初の太陽電池を製造しましたが、これもわずか1パーセントの効率です。それにもかかわらず、フリッツは彼の細胞が革命的であると考えました。彼は、太陽電池が発電所を個別に電力を供給される住宅に置き換えることを予測して、自由な太陽エネルギーが地方分権化の手段であると想像しました。
1905年のアルバートアインシュタインの光電効果の説明（金属は光からエネルギーを吸収し、光が当たるまでそのエネルギーを保持します）により、より高い効率の太陽光発電が実現可能になることを新たに期待しています。しかし、ダイオードとトランジスタの研究により、ベルの科学者であるゴードンピアソン、ダリルチャピン、カルフラーが1954年に4％の効率のシリコン太陽電池を製造するために必要な知識が得られるまで、ほとんど進歩はありませんでした。
さらなる作業により、セルの効率は最大15パーセントになりました。太陽電池は、ジョージア州アメリカスの田舎の孤立した都市で、電話リレーシステムの電源として最初に使用され、長年にわたって成功裏に使用されていました。
国内のエネルギー需要を完全に満たすタイプの太陽電池はまだ開発されていませんが、太陽電池は人工衛星にエネルギーを供給することに成功しています。すべてのオンスが重要なプログラムでは、燃料システムと通常のバッテリーが重すぎました。太陽電池は、他のすべての従来のエネルギー源よりも重量1オンスあたりより多くのエネルギーを提供し、費用対効果が高くなります。
大規模な太陽光発電システムはごくわずかしか設置されていません。ほとんどの努力は、洗練された電力の他の手段がない遠隔地に太陽電池技術を提供することに傾いています。毎年約50メガワットが設置されていますが、太陽電池は約50メガワットしか供給していません。現在生産されている全電力の1パーセント。太陽エネルギーの支持者は、毎年地球の表面に到達する太陽放射の量は、私たちのすべてのエネルギー需要を数回にわたって簡単に提供できると主張していますが、太陽電池は、チャールズ・フリッツの無料で完全にアクセス可能な太陽光発電の夢を実現するまでには長い道のりがあります。
原材料
太陽電池の基本的な構成要素は純粋なシリコンであり、自然の状態では純粋ではありません。 
太陽電池を作るために、原料（珪岩砂利または砕いた石英の二酸化ケイ素）を最初に入れます。カーボンアークを適用して酸素を放出する電気アーク炉。製品は二酸化炭素と溶融シリコンです。この時点では、シリコンはまだソロセルに使用できるほど純粋ではなく、さらに精製する必要があります。純粋なシリコンは、珪岩砂利（最も純粋なシリカ）や砕いた石英などの二酸化ケイ素から得られます。次に、得られた純粋なシリコンにリンとホウ素をドープ（処理）して、それぞれ過剰な電子と不足した電子を生成し、電気を通すことができる半導体を作成します。シリコンディスクは光沢があり、反射防止コーティング、通常は二酸化チタンが必要です。
ソーラーモジュールは、金属フレーム内の保護材料で囲まれたシリコン半導体で構成されています。保護材は、透明なシリコンゴムまたはブチリルプラスチックの封止材で構成されています（自動車のフロントガラスで一般的に使用されています） セルの周りに結合し、次にエチレン酢酸ビニルに埋め込まれます。ポリエステルフィルム（マイラーやテドラーなど）が裏地を構成しています。ガラスカバーは地上アレイにあり、軽量プラスチックカバーは衛星アレイにあります。電子部品は標準であり、ほとんどが銅で構成されています。フレームはスチールまたはアルミニウムのいずれかです。シリコンはそれをすべてまとめるためのセメントとして使用されます。
製造
プロセス
シリコンの精製
- 1珪岩砂利または砕いた石英の二酸化ケイ素を、電気アーク炉に入れます。次に、カーボンアークを適用して酸素を放出します。製品は二酸化炭素と溶融シリコンです。この単純なプロセスにより、不純物が1％のシリコンが生成されます。これは、太陽電池業界ではなく、多くの業界で役立ちます。
- 2 99％純粋なシリコンは、フローティングゾーン技術を使用してさらに精製されます。不純なシリコンのロッドが、加熱されたゾーンを同じ方向に数回通過します。この手順では、パスごとに不純物を一方の端に向かって「ドラッグ」します。特定の時点で、シリコンは純粋であると見なされ、不純な端が除去されます。
単結晶シリコンの製造
- 3太陽電池は、単結晶の原子構造を持つ多結晶構造であるシリコンブールから作られています。ブールを作成するために最も一般的に使用されるプロセスは、チョクラルスキー法と呼ばれます。 このプロセスでは、シリコンの種結晶が溶融した多結晶シリコンに浸されます。種結晶が引き抜かれ、回転すると、シリコンの円筒形のインゴットまたは「ブール」が形成されます。引き出されたインゴットは、不純物が液体に残る傾向があるため、非常に純粋です。
シリコンウェーハの製造
- 4ブールから、内径がロッドに切り込む丸鋸を使用してシリコンウェーハを一度に1枚ずつ、またはマルチワイヤ鋸を使用して一度に多数をスライスします。 （ダイアモンドソーは、ウェーハと同じ幅のカットを生成します。厚さは5ミリメートルです。）シリコンの約半分だけがブールから完成した円形ウェーハに失われます。さらに、ウェーハを長方形または六角。長方形または六角形のウェーハは、完全に組み合わせることができ、それによって太陽電池の前面にあるすべての利用可能なスペースを利用できるため、太陽電池で使用されることがあります。
最初の精製後、シリコンはフローティングゾーンプロセスでさらに精製されます。このプロセスでは、シリコンロッドが加熱ゾーンを数回通過し、ロッドの一端に向かって不純物を「引きずり」ます。次に、不純な端を取り除くことができます。
次に、シリコン種結晶は次のようになります。チョクラルスキー成長装置に入れ、溶融した多結晶シリコンに浸します。種結晶は、引き抜かれるときに回転し、非常に純粋なシリコンの円筒形のインゴットを形成します。次に、インゴットからウェーハをスライスします。 - 5次に、ウェーハを研磨して鋸跡を取り除きます。 （最近、粗いセルの方が光をより効果的に吸収することがわかったため、一部のメーカーはウェーハを研磨しないことを選択しました。）
ドーピング
- 6シリコンウェーハにホウ素とリンをドープ（不純物を追加）する従来の方法は、上記のステップ3のチョクラルスキープロセス中に少量のホウ素を導入することです。次に、ウェーハを背中合わせに密封し、炉に入れて、リンガスの存在下でシリコンの融点（華氏2,570度または摂氏1,410度）よりわずかに低く加熱します。リン原子はシリコンに「穴を掘り」ます。シリコンは液体に近いため、より多孔質になります。プロセスに与えられる温度と時間は、適切な深さの均一な接合を確実にするために注意深く制御されます。
シリコンにリンをドープする最近の方法は、小粒子加速器を使用してリンイオンをインゴットに注入することです。イオンの速度を制御することにより、イオンの浸透深さを制御することが可能です。ただし、この新しいプロセスは、一般的に商業メーカーには受け入れられていません。
電気接点の配置
- 7電気接点は、各太陽電池を別の太陽電池と生成された電流のレシーバーに接続します。セルへの日光を遮らないように、接点は非常に薄くする必要があります（少なくとも前面）。パラジウム/銀、ニッケル、銅などの金属は真空蒸着されます
この図は、典型的な太陽電池の構成を示しています。セルはエチレン酢酸ビニルでカプセル化され、マイラーバックシートとガラスカバーを備えた金属フレームに配置されます。フォトレジストを介して、シルクスクリーン印刷された、または部分的にワックスで覆われたセルの露出部分に単に堆積された。 3つの方法はすべて、接触が望ましくないセルの部分を保護し、セルの残りの部分を金属にさらすシステムを含みます。 - 8接点が配置された後、薄いストリップ（「指」）がセルの間に配置されます。最も一般的に使用されるストリップは、スズでコーティングされた銅です。
反射防止コーティング
- 9純粋なシリコンは光沢があるため、太陽光の最大35％を反射する可能性があります。失われる太陽光の量を減らすために、反射防止コーティングがシリコンウェーハに施されています。最も一般的に使用されるコーティングは二酸化チタンと酸化ケイ素ですが、他のコーティングも使用されています。コーティングに使用される材料は、分子が沸騰してシリコンに移動して凝縮するまで加熱されるか、材料がスパッタリングされます。このプロセスでは、高電圧が分子を材料からノックオフし、反対側の電極のシリコンに堆積させます。さらに別の方法は、シリコン自体を酸素または窒素含有ガスと反応させて、二酸化ケイ素または窒化ケイ素を形成させることである。商用太陽電池メーカーは窒化ケイ素を使用しています。
セルのカプセル化
- 10完成した太陽電池はカプセル化されます。つまり、シリコンゴムまたはエチレン酢酸ビニルに密封されています。次に、カプセル化された太陽電池は、マイラーまたはテドラーのバックシートとガラスまたはプラスチックのカバーを備えたアルミニウムフレームに配置されます。
品質管理
多くのプロセスと要因の不一致がセルの全体的な効率に悪影響を与える可能性があるため、品質管理は太陽電池の製造において重要です。主な研究目標は、より長い寿命にわたって各太陽電池の効率を改善する方法を見つけることです。低コストソーラーアレイプロジェクト（1970年代後半に米国エネルギー省によって開始された）は、太陽電池のコストを下げることを目的とした民間研究を後援しました。シリコン自体は、純度、結晶配向、および抵抗率についてテストされます。メーカーはまた、酸素（強度と反りに対する耐性に影響を与える）と炭素（欠陥を引き起こす）の存在をテストします。完成したシリコンディスクは、のこぎり、研磨、およびエッチング中に発生した可能性のある損傷、剥離、または曲げがないか検査されます。
シリコンディスクの製造プロセス全体を通して、ドーパントの温度、圧力、速度、および量が継続的に監視されます。空気中および作業面の不純物を最小限に抑えるための措置も講じられています。
次に、完成した半導体を電気テストして、それぞれの電流、電圧、および抵抗が適切な基準を満たしていることを確認する必要があります。太陽電池に関する以前の問題は、部分的に日陰になると動作を停止する傾向でした。この問題は、セルへの危険な高電圧を低減するシャントダイオードを提供することで軽減されています。次に、部分的にシェーディングされたジャンクションを使用してシャント抵抗をテストする必要があります。
ソーラーモジュールの重要なテストには、テストセルに通常の条件下で遭遇する光の条件と強度を提供し、それらが良好に機能することを確認することが含まれます。セルはまた、熱と冷気にさらされ、振動、ねじれ、および雹に対してテストされます。
ソーラーモジュールの最終テストは、実際に使用される場所に完成したモジュールを配置するフィールドサイトテストです。これにより、研究者は、周囲条件下での太陽電池の効率と、すべての中で最も重要な要素である太陽電池の有効寿命を決定するための最良のデータを得ることができます。
未来
比較的高価で非効率な太陽電池の現状を考えると、将来は改善することしかできません。一部の専門家は、2000年までに10億ドル規模の産業になると予測しています。この予測は、日本、ドイツ、イタリアなどの国で開発されている屋上太陽光発電システムの増加の証拠によって裏付けられています。メキシコと中国で太陽電池の製造を開始する計画が立てられています。同様に、エジプト、ボツワナ、フィリピン（3つすべてがアメリカの企業の支援を受けている）は、太陽電池を製造するプラントを建設しています。
現在のほとんどの研究は、太陽電池のコストを削減するか、効率を高めることを目的としています。太陽電池技術の革新には、高価な結晶シリコンセルの安価な代替品の開発と製造が含まれます。これらの代替案には、光合成を模倣するソーラーウィンドウや、小さなアモルファスシリコンボールから作られた小さなセルが含まれます。すでに、単結晶シリコンを犠牲にしてアモルファスシリコンと多結晶シリコンが人気を集めています。日陰を最小限に抑え、プリズムレンズを通して太陽光を集束させるなどの追加の革新。これには、さまざまな周波数の光を吸収するさまざまな材料（特にガリウムヒ素とシリコン）の層が含まれ、それによって発電に効果的に使用される太陽光の量が増加します。
数人の専門家は、ハイブリッド住宅の適応を予測しています。つまり、太陽熱温水器、パッシブ太陽熱暖房、およびエネルギー需要を削減するための太陽電池を利用する住宅です。別の見方は、ますます多くのソーラーアレイを軌道に乗せる宇宙シャトル、地球のソーラーアレイファームに電力を送る太陽光発電衛星、さらには地球で使用されるソーラーアレイを製造する宇宙コロニーに関するものです。
製造プロセス