太陽電池
今そのようなものを説明してください。..それは太陽電池の基本的な紹介です—そしてそれがあなたが望んでいたすべてであれば、あなたはここで止めることができます。この記事の残りの部分は、さまざまな種類の太陽電池について、人々が太陽光発電を実用化する方法、そしてなぜ太陽エネルギーがこのような長い時間を
太陽電池はどのように効率的ですか？
チャートdiv: 比較される太陽電池の効率:最初の太陽電池はただの6パーセントの効率で掻き取りました;これまでに作り出された最も有効な1つは実験室の条件の46パーセントを管理しました。 ほとんどの細胞は、理論的には約15％、実際にはおそらく8％を管理できる第一世代のタイプです。
エネルギー保存の法則と呼ばれる物理学の基本的なルールは、魔法のようにエネルギーを作り出したり、薄い空気に消えたりすることはできません。 そのmeansaの太陽電池はitreceivesよりそれ以上の電気エネルギーを作り出すことができませんライトとして毎秒。 実際には、私たちがすぐに見るように、ほとんどの細胞は、彼らが受け取るエネルギーの約10-20パーセントを電気に変換します。 典型的な単一接合シリコンソーラーセルの理論上の最大効率は約30パーセントであり、これはショックリー-クイッサー限界として知られている。 それは本質的にsunlightcontains異なった波長のandenergiesおよびあらゆる単一接合部の太陽電池の光子の広い混合物が残りを無駄にするある周波数帯域内のtocatch光子だけ最太陽電池に衝突する光子の中には、電子をノックアウトするのに十分なエネルギーを持っていないので、効果的に無駄になり、エネルギーが多すぎて過剰も無駄になるものもあります。 Verybest、最先端の実験室の細胞は異なったエネルギーの多数のjunctionstoの捕獲物の光子を使用して絶対に完全な条件の46percentefficiencyを管理できる。
現実世界の国内のソーラーパネルは、約15パーセントの効率を達成するかもしれません。第一世代の単一接合太陽電池は、Shockley-Queisser限界の30パーセントの効率に近づくつもりはなく、46パーセントの実験室の記録を気にしないでください。 すべての種類の厄介な現実世界の要因は、パネルの建設、どのように配置され、角度、影の中にいるかどうか、どのようにきれいに保つか、どのように得るか（温度を上げると効率が低下する傾向がある）、換気されているかどうか（空気が下に循環することができるようになる）など、名目上の効率に影響を与えます。
太陽電池の種類
今日の人々の屋根に表示されます太陽電池のほとんどは、それらをより良い導電体にするために特別に処理された（”ドープ”） 科学者たちは、主に第二世代と第三世代として知られている二つの異なる、より近代的な技術から差別化するために、第一世代としてtheseclassic太陽電池を参照 だから違いは何ですか？
第一世代
写真：第一世代の太陽電池のカラフルなコレクション。NASAグレン研究センター（NASA-GRC）の画像提供。
世界の太陽電池の約90％は、大きなインゴットからスライスされた結晶シリコン（略称c-Si）のウエハから作られています。 インゴットは、単一の結晶（単結晶または単Si）または複数の結晶（多結晶、多Siまたは多c-Si）を含む。 第一世代の太陽電池は、上のボックスのように動作します: それらはfromseparateのインゴットスライスされるnタイプおよびpタイプのケイ素の層の間の単一、簡単な接合部を使用する。 したがって、n型インゴットは、ドーパントとして少量のリン、アンチモン、またはヒ素でシリコンを加熱することによって作られ、p型インゴットはドーパントとしてホウ素を使用する。N型とp型のシリコンのスライスは、接合を作るために融合されています。 さらにいくつかの添えものが追加されています（光吸収を改善し、photovoltaicセルに特徴的な青色、保護glassonフロントとプラスチック製のバッキング、および金属製の接続のように、セルを回路に配線することができます）が、単純なp-n接合はほとんどの太陽電池の本質です。 それはほとんどすべての光起電ケイ素のsolarcellsが1954年以来いかに働いたかである、Bell Labspioneeredの科学者が技術だった:fromsandを得られたケイ素の輝いた日光、彼らは電
第二世代
写真：薄膜、第二世代の太陽”パネル。”発電フィルムは、薄く、柔軟で、比較的安価なプラスチック製のバッキング（”基材”）に固定された非晶質シリコンから作られています。写真：Warren Gretz礼儀のNREL（画像id＃6321083）。
古典的な太陽電池は、比較的薄いウェーハであり、通常はミリメートルの深さ（約200マイクロメートル、200μ m、またはそう）の反射である。しかし、それらは一般に薄膜太陽電池（TPSC）オルシンフィルム太陽光発電（TFPV）として知られている第二世代のセルと比較して絶対的なスラブであり、約100倍（数マイクロメートルまたは百万分の一の深さ）である。ほとんどはまだシリコン（原子が規則的な結晶構造で正確に秩序付けられた代わりにランダムに配置されているasamorphousシリコン、A-Si、知られている別の形） それらはextremelythin、軽く、適用範囲が広いので、第二世代の太陽電池は金属、ガラスおよびポリマー（プラスチック）を含む窓、天窓、屋根瓦およびいろいろな種類の”基材”（裏付け材料）にbelaminatedできます。 第二世代のセルが柔軟性を得るもの、彼らは非効率性を犠牲にする：古典的な、第一世代の太陽電池はまだそれらを上回っています。 したがって、一流の第一世代セルは15-20パーセントの効率を達成するかもしれないが、アモルファスシリコンは7パーセント以上を得るのに苦労し、最高の薄膜Cd-Teセルは約11パーセントしか管理せず、CIGSセルは7-12パーセント以上を管理しない。 それはonereasonなぜ、彼らの実用的な利点にもかかわらず、第二世代のセルは、これまでのところ、太陽電池市場に比較的ほとんど影響を与えていませんでした。
第三世代
写真div: 国立再生可能エネルギー研究所の研究者によって生産された第三世代のプラスチック太陽電池。写真：Jack Dempsey礼儀のNREL（画像id＃6322357）。
最新の技術は、第一世代の最高の機能を組み合わせています第二世代の細胞。 第一世代の細胞と同様に、それらは比較的高い効率（30％以上）を約束する。 第二世代のセルと同様に、アモルファスシリコン、有機ポリマー（有機太陽光発電、Opvを作る）、ペロブスカイト結晶、複数の接合（異なる半導体材料の複数の層から作られる）など、”単純な”シリコン以外の材料から作られる可能性が高い。 理想的には、それはそれらを第一世代または第二世代のセルよりも安く、より効率的で、より実用的にするでしょう。現在、2018年12月にペロブスカイト・シリコンタンデム太陽電池によって達成された第3世代solaris28%の世界記録効率。
太陽電池でどのくらいの電力を作ることができますか？
“地球の表面に到達する総太陽エネルギーは、既存のグローバルなエネルギー需要を10,000倍以上満たすことができます。”
欧州太陽光発電産業協会/グリーンピース、2011。p>
理論的には、膨大な量。 今のところ太陽電池を忘れてみましょう純粋な日光を考えてみましょう。 未加工太陽powerhitsの1000ワットまで太陽を直接指す地球の各平方メートル（acloudless日の直接正午の日光のthat’sthe理論的な力—太陽光線が地球の表面に垂直に発射し、最高の照明か日射を、it’stechnically知られているように与えることと）。 実際には、惑星の傾きと時刻を修正した後、典型的な北の緯度では（雲のない日でも）平方メートル当たり100-250ワットが得られる可能性があります。 それは一日あたり約2-6kWhに変換されます（あなたがカナダorScotlandのような北部地域にいるか、アリゾナやメキシコのようなどこかより義務的であるかに全体の年の生産のために増加することは私達に平方メートル（700-2500単位のofelectricity）ごとのsomewherebetween700そして2500kWhを与えます。 例えば、中東はヨーロッパよりも毎年約50–100percent多くの有用な太陽エネルギーを受け取ります。残念ながら、典型的な太陽電池は約15パーセントしか有効ではないので、我々はこの理論的エネルギーのほんの一部をキャプチャすることができます。
残念なことに、典型的な太陽電池は、この理論的エネルギーのほんの一部をキャプチャすることができます。 それは太陽電池パネルがとても大きいなぜ必要があるかである:あなたが作ることができる量のofpowerはどの位区域のyoucan細胞で覆うことをできるか 単一の太陽電池（およそコンパクトディスクのsizeof）は約3-4.5ワットを発生できます;約40の細胞（8cellsの5列）の配列からなされる典型的なsolarmoduleは約100-300ワット; したがって、3-4個のモジュールから作られたいくつかのソーラーパネルは、数キロワットの絶対的な最大値を生成することができます（おそらく家庭の電力ニーズを満たすのに十分です）。
ソーラーファームはどうですか？
写真：コロラド州の広大な91ヘクタール（225エーカー）のアラモサ太陽発電プロジェクトは、三つの狡猾なトリックを使用して太陽光発電の30メガワットまで まず、膨大な数の太陽光発電パネルがあります（それらの500、それぞれ60kwを作ることができます）。 各パネルは別の、回転アセンブリに取付けられる従って空を通って太陽を追跡できる。そして、それぞれには、太陽の光線を太陽電池に集中させるために、複数のフレネルレンズが上に取り付けられています。写真：DENNIS Schroeder礼儀のNREL（画像id＃10895528）。しかし、私たちは本当に大量の太陽光発電を作りたいとします。
しかし、私たちは本当に大量の太陽光発電を作りたいとします。 多額の風力タービン（おそらく2〜3メガワットのピーク電力出力を持つ）と同じくらいの電力を生成するには、約500〜1000の太陽屋根が必要です。 そして、大規模な石炭や原子力発電所（ギガワットで評価され、千メガワットまたは数十億ワットを意味する）と競争するには、1000倍の数が必要です—約2000の風力タービンまたはおそらく百万の太陽屋根の同等。 （これらの比較は、私たちの太陽と風が最大出力を生産していると仮定しています。）たとえ太陽電池がクリーンで効率的な電力源であっても、現時点では本当に主張できないことの一つは、土地のefficientusesです。 これらの巨大な太陽光発電所でさえ、現在はすべての場所でわずかな量の電力（通常は約20メガワット、または約1％の大規模な2ギガワットの石炭や原子力発電所など）しか生産していません。 英国のrenewablecompany Ecotricityは、約22,000枚のパネルを12ヘクタール（30エーカー）の敷地に敷設し、4.2メガワットの電力を発生させると推定している。
人々への力
写真div: マイクロ風力タービンおよび太陽電池パネルはこのハイウェーの構造の警告標識を昼も夜もつけておく電池の銀行に動力を与えるために協力する。 太陽電池パネルは、あなたが表示の上にちょうど見ることができる平らで黄色い”ふた”で空に直面して、取付けられる。
一部の人々は、太陽農場が実際の農業と食糧生産のために土地weneedを飲み込むことを懸念しています。 国内の屋根に太陽光パネルを置くことについて話しているなら、土地を心配することは重要なポイントを逃しています。 環境保護主義者は、太陽光発電の本当のポイントは、大規模な中央集権型の太陽光発電所を作ることではなく（強力なユーティリティが高い利益で無力な人々に電気を販売することができる）、人々がそれを使用する場所で自分自身に電力を供給できるようにすることによって、不安定で非効率的な中央集権型の発電所を置き換えることであると主張するだろう。 Thateliminates化石燃料の発電、theairの汚染および二酸化炭素の放出の非能率は作る、また頭上式または地下の電力線を通って使用のポイントにofgenerationポイントからの 太陽電池パネル（またはすべてのあなたの窓の積層の薄膜の太陽電池）であなたの全体の屋根を覆わなければならなくても、couldmeetあなたの全体の電気の必欧州太陽光発電産業協会とグリーンピースの2011年の報告書によると、貴重な農場をソーラーパネルでカバーする必要はありません：EU諸国のすべての屋根の約40％と15％の建物のファサードはPVpanelsに適しており、これは2020年までに総電気需要の約40％に達するでしょう。
太陽光発電を消費電力のポイントにシフトさせることを忘れないことが重要です—それは大きな実用的な利点を持っています。 ソーラー式腕時計と電卓理論的には電池は必要ありません（実際には電池のバックアップがあります）。 道および鉄道印は今時々動力を与えられる太陽である;点滅の緊急の維持の印に頻繁に位置の最も遠いで配置することができるfittedsoに太陽電池パネル 太陽光が豊富だが電気インフラが貧弱な開発途上国では、ソーラーパネルは病院や診療所の水ポンプ、電話ボックス、冷蔵庫に電力を供給しています。
なぜまだ太陽光発電がつかまえられていないのですか？その答えは、経済的、政治的、技術的要因が混在しています。
その答えは、経済的、政治的、技術的要因が混在しています。 経済的な観点からは、ほとんどの国では、太陽電池パネルで発電された電気は、汚れた化石燃料を汚染して燃焼させた電気よりも依然として高価です。 世界は化石燃料インフラに巨額の投資をしており、強力な石油会社は太陽光発電の分派を軽視していますが、フラッキング（油圧破砕）などの技術で既存の石油とガスの埋蔵量の寿命を長くすることにはるかに興味があるようです。 政治的には、石油、ガス、石炭会社は非常に強力で影響力があり、太陽光や風力のような再生可能な技術を好む環境規制に抵抗しています。 技術的には、我々はすでに見てきたように、太陽電池はapermanent”進行中の作業”であり、世界のsolarinvestmentの多くはまだ第一世代の技術に基づいています。 誰が知っている、おそらくそれは最近のscientificadvancesが本当に魅力的な太陽のためのビジネスケースを作る前に、さらに数十年かかりますか？
この種の議論の問題の一つは、彼らが唯一の基本的な経済的、技術的要因を秤量し、石油流出、大気汚染、石炭採掘からの土地破壊、または気候変動の それ以上の技術的進歩がない場合でも、これらの問題の認識を高めることは、化石燃料からの切り替えを早めることは完全に可能です; 言い換えれば、再生可能エネルギーの普遍的な選択肢を延期する余裕がなくなった時が来るかもしれません。 最終的には、これらの要因はすべて相互に関連しています。 説得力のある政治的リーダーシップで、世界は明日の太陽革命に自分自身をコミットすることができます：政治は、太陽光発電の経済学を変える技術的改善を強制することができます。経済学だけで十分かもしれません。
技術のペース、製造技術の革新、規模の経済は、太陽電池やパネルのコストを下げ続けています。 BBCの環境分析によると、2008年から2009年の間だけで、価格は約30パーセント下落し、中国の太陽電池製造の優位性が高まって以来、それらを押し下げ続けた。米国エネルギー情報局によると、2010年から2016年の間に、大規模な太陽光発電のコストは年間約10-15パーセント下落し、全体的に、太陽光発電への切り替えの価格は、さらに市場での中国のグリップを固め、最後の十年で約90パーセント急落しています。 世界のトップテンの太陽電池メーカーの六つは、今中国です; 2016年には、新しい米国の太陽電池容量の約三分の二は、中国、マレーシア、韓国から来ました。
写真：太陽電池は、太陽光から電力を供給する唯一の方法ではありません—あるいは、必然的に、最良の方法です。 私達はまた太陽熱エネルギー（あなたの家の水を熱するのに日光からの吸収熱）、受動の太陽（日光を吸収するように建物を設計すること）、およびソーラーコ このバージョンでは、16ミラー太陽光を収集し、非常に効率的なパワープロデューサーであるスターリングエンジン（右の灰色のボックス）に集中します。 写真：Warren Gretz礼儀のNREL（画像id＃6323238）。
早く追いついて？
早く追いついて？
太陽の転換点は、グリッドパリティと呼ばれるものを達成することができるときに到着すると予想されます。 多くの欧州諸国は、2020年までにそのマイルストーンを達成することを期待しています。 ソーラーは確かに近年非常に印象的な成長率を掲載していますが、それはまだ世界の総エネルギーのほんの一部に過ぎないことを覚えておくことが重要 例えば英国では、2014年にソーラーパネルの総設置容量を約2.8GWから5GWにほぼ倍増させた”マイルストーン達成”を誇っています。 しかし、それはまだいくつかの大規模な発電所に過ぎず、最大出力は英国の総電力需要のわずか8％であり、約60GWです（混雑のようなものを因数分解すると、8％の一部に減少します）。
米国エネルギー情報局によると、太陽光発電技術が発明された米国では、2018年現在、太陽光発電は国の総発電量のわずか1.6％に過ぎません。これは、2017年（solarが1.3％だったとき）から約23％上昇し、2016年（図が0.9％だったとき）から80％上昇し、2014年（solarがわずか0.4％だったとき）の約4倍です。そうであっても、それはまだ石炭の約20倍であり、すべての化石燃料の約40倍である。 言い換えれば、米国の太陽電池の10倍の増加でさえ、今日の石炭の半分以上の電力を生産していないことがわかります（10×1.6=16％、27.4の石炭の2018％と比較）。 世界の主要な年次エネルギーレビューの2つ、BP Statistical Review of World EnergyとInternationalEnergy AgencyのKey World Energy Statisticsは、脚注を除いてsolarpowerにほとんど言及していないことに注意してください。
チャート：太陽光発電は毎年私たちの電気の多くを作っていますが、まだどこにも石炭ほどnearas。 このグラフは、米国で発電された電力の割合をsolarpower（緑色の線）と石炭（赤色の線）で比較したものです。 この位置は、いくつかの国ではこれよりも優れており、他の国では悪化しています。によって描かれたexplainthatstuff.com 米国エネルギー情報局からの歴史的および現在のデータを使用して。それはいつでもすぐに変わりますか？
それはちょうどかもしれない。 オックスフォード大学の研究者による2016年の論文によると、太陽光発電のコストは急速に低下しており、2027年までに世界のエネルギー需要の20パーセントを提供することが進んでいます。これは今日の段階からの変化であり、誰もが以前に予測していたよりもはるかに速い成長率です。 その成長のペースはおそらく続けることができますか？ 手遅れになる前に、太陽は本当に気候変動に違いをもたらすことができますか？ このスペースを見て！
太陽電池の簡単な歴史
- 1839: フランスの物理学者Alexandre-Edmond Becquerel（放射能の先駆者Henri Becquerelの父）は、いくつかの金属が光電であることを発見しました。
- 1873年：英語のエンジニアWilloughby Smithは、セレンが特に効果的な光伝導体であることを発見しました（後にチェスター-カールソンがコピー機の発明に使用しました）。
- 1905年：ドイツ生まれの物理学者アルバート-アインシュタインは、最終的に彼にノーベル賞を稼いでいる発見、光電効果の物理学を把握します。
- 1916: アメリカの物理学者ロバート-ミリカンはアインシュタインの理論を実験的に証明している。
- 1940年：ベル研究所のRussell Ohlは、ドープされた接合半導体が光にさらされたときに電流を生成することを誤って発見しました。
- 1954年：ベル研究所の研究者Daryl Chapin、Calvin Fuller、Gerald Pearsonは、約6％の効率を持つ最初の実用的な太陽光発電シリコン太陽電池を作った（後のバージョンでは11％を管理している）。 彼らは4月25日に彼らの発明を発表します—最初は「太陽電池」と呼ばれていました-。
- 1958年: ヴァンガード、エクスプローラー、スプートニク宇宙衛星は太陽電池の使用を開始します。
- 1962:ベル太陽電池の3600は、telstar、先駆的な通信衛星に電力を供給するために使用されます。
- 1997年：米国連邦政府は、百万の太陽屋根イニシアチブを発表—2010年までに百万の太陽電池屋根を構築します。
- 2002年：NASAは、そのパスファインダープラスソーラープレーンを起動します。
- 2009：科学者たちは、ペロブスカイト結晶が第三世代の光起電材料として大きな可能性を秘めていることを発見しました。
- 2014: ドイツとフランスの科学者のコラボレーションは、四接合太陽電池のための46パーセントの効率の新しい記録を生成します。
- 2020年：太陽電池はグリッドパリティを達成すると予測されています（あなたが自分で作る太陽光発電は、グリッドから購入する電力と同じくらい安
- 2020年：ペロブスカイト-シリコンセルは、太陽効率の大きな増加を約束します。/li>
