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太陽電池の進化：初期の効率はなぜ低かったのか？
太陽電池の開発プロセスを詳しく調べる前に、光起電力効果の基本概念を理解する必要があります。光起電力効果とは、材料が光にさらされると電圧と電流が発生する現象を指します。この物理プロセスは光電効果と密接に関係しています。どちらも電子の励起を伴いますが、光起電力効果は特に電子が材料内に留まるときに起こることを指し、光電効果は電子が材料から放出される現象を指します。太陽電池技術が進歩するにつれて、歴史的な観点から、なぜ初期の太陽電池が非効率だったのかを理解できるようになります。
10 年以上前、エドモンド ベクレルは 1839 年に初めて光起電力効果を実証し、酸性またはアルカリ性の溶液に浸した金属板が不均一な光にさらされると電流を生成できることを示しました。
太陽電池の初期の実験は、チャールズ フリッツがセレンベースの太陽電池の実験を行った 1884 年に遡ります。この太陽電池は非常に非効率ではありましたが、この分野の先駆者となりました。しかし、今日ではフォトダイオードなどの固体デバイスが主流の技術となり、光エネルギー変換の効率が向上しました。
フォトダイオードでは、太陽光または十分なエネルギーを持ったその他の光が材料に当たると、価電子帯の電子がエネルギーを吸収し、伝導帯に励起されて自由になります。これらの励起された電子は、内蔵電場によって駆動されてさまざまな方向に移動し、電流を形成します。このプロセスは材料の構造に依存するだけでなく、環境条件にも影響されます。
この光起電力効果は、半導体材料で構成された p-n 構造を利用しており、この構造に光が当たると、生成される電流が光の方向と反対の方向を向き、有効な電流出力が形成されます。
物理原理と熱効果
光起電力励起に加えて、本質的にはゼーベック効果もあり、導電性または半導体材料が電磁放射を吸収して加熱されると、温度勾配が生じ、それによって電圧と電流が発生します。この現象は内部の電子エネルギーレベルとキャリア濃度に影響を与えるため、太陽電池の効率と密接に関係しています。
研究によると、開放回路電圧の電圧と温度の間には大きな反比例の関係があることが示されています。つまり、温度が上昇すると開放回路電圧は減少しますが、短絡電流は温度に比例しますが、開放電圧の低下を完全には補償できないため、温度が上昇すると最大出力電力が低下します。
太陽電池の進化
技術の進化に伴い、太陽電池の種類と効率は向上し続けています。たとえば、単純な p-n 接合構造は多くの新しい材料や設計に置き換えられ、これらの改善により、さまざまな条件下での変換効率が向上し、システムの安定性と信頼性が向上します。
2017 年、ジョージア工科大学の研究者らは、非平衡状態で交流を生成する技術である交流太陽光発電効果 (AC PV) を初めて実証し、太陽光発電の開発における新たなブレークスルーを示しました。細胞。
将来の課題と機会
太陽光発電技術は大幅に進歩しているにもかかわらず、世界的な普及と電池効率の向上には依然として課題が残っています。環境要因、材料の選択、製造コストはすべて、太陽電池の普及に影響を与える重要な要因です。再生可能エネルギーの需要が高まるにつれ、研究者やエンジニアは、変換効率をさらに向上させ、コストを削減するための新しい材料や技術の開発に取り組んでいます。
現在、有機太陽電池材料や多接合太陽電池など、さまざまな新しい太陽電池材料が登場していますが、理想的な商業用途を実現するには、安定性やコストなどの問題をまだ克服する必要があります。
技術の進歩により、太陽電池の初期性能が低いという問題に対するより良い解決策が見つかるかもしれません。消費者がクリーン エネルギーにますます注目し、政策がそれを促進する中、太陽電池は将来どのように進化するのでしょうか?
