何でできてる？ソーラーパネル
太陽エネルギーは、市販されている中でももっとも安価で、最高にクリーンなグリーンエネルギーのひとつであることはまちがいないでしょう。どうして太陽光発電が安価で高効率、かつ高品質なエネルギーをコンスタントに生み出してくれるのか。それについてはまだあまりみなさんに理解されてはいないようです。
この疑問について理解するためには、ソーラーパネルの基本構造、作られ方、太陽エネルギーのしくみ、そしてソーラーパネルのさまざまな部品を知っていく必要があります。市販されていて手軽に手に入るパネルは、単結晶、薄膜シリコン、多結晶材料など、さまざまなタイプのセルで構成されています。
ソーラーパネルを作るのに使われている部材は？
ソーラーパネルのセルを作るための材料は、ほぼソーラーパネルそのものです。ソーラーパネルを作る過程では、5種類の部材をうまく組み合わせて、実際に電気を生みだす太陽電池モジュールが作られます。
組み合わせる部材は、ガラスシート、標準的な12V電線、母線、金属製フレーム、そしてシリコン太陽電池セルです。いろいろなものを作るのが趣味で、ソーラーパネルが何でできているのか興味があるなら、もうお待たせするつもりはありません。自分で作れるように、さっそくそのリストをのぞきこんでみましょう。ソーラーパネルは、以下の部材で構成されています：
図1：ソーラーパネルを構成する材料
ガラスシート
ガラスシートは、実際には6〜7ミリほどの薄いガラスの層です。シリコン太陽電池を保護するプロテクターとして機能します。プレミアム品質のソーラーパネルは、シリコン太陽電池とその素子に強度と耐久性を持たせるために、ソーラーモジュールの上面にガラスシートを使用しています。
製造メーカーは、パネルの裏面にも保護用の層を設けています。さらに、中のガラスの下には断熱材として保護シートとケーシング（被覆）が入っていて、このシートとケースは、パネル内部の熱を下げたり、湿度を維持するために使用されています。
断熱ケーシング
ソーラーパネルが熱を持つと発電能力が低下するため、断熱のためのケーシングはとても重要です。パネルがいらない熱を持つことなく光を完璧に取り込むために、製造メーカーは、断熱用のシートやケーシングを特別な大きさにしなければなりません。
シリコン太陽電池セル
太陽電池技術の最初の形態であり、ソーラーパネルの主なものはシリコン太陽電池です。何十年も前からこの電気製品のメインとして使われてきました。ソーラーパネルのこの「第一世代」が登場した時には、シリコン太陽電池が太陽電池市場の9割を掴んでいたんですよ。
光起電効果を使って、シリコン太陽電池セルが太陽光を電気に変換します。ガラスシート間で、シリコン太陽電池セルはマトリックス状に強く一体化した構造になっています。この太陽電池セルがガラスウエハーシートと結合し相互作用することで電荷が発生するので、こうした構造がソーラーパネルのとても重要な役割を担っているといえます。
太陽電池セルを作る
シリコン結晶とホウ素やガリウムを混ぜたものからシリコンインゴットが作られ、P型またはN型と呼ばれる太陽電池になります。この混合物にリンを加えて電気を通すようにしたのがセルです。そして、シリコンインゴットを薄い層になるようにスライスし、反射防止シートでコーティングします。その後、薄くスライスものをさらに削ってセルにし、電気を通す導体にします。
太陽電池セルをくっつけてパネルを作る
リンがシリコンウエハーに電荷を与えると、太陽電池セル同士が金属コネクタで接続されます。この工程をソルダリングまたはボンディングと呼びます。
バックシート、フロントガラスシート、フレームを配置する
太陽電池の下には、保護用のシートが置かれますが、このシートは通常、高品質で超耐久性、強度のある素材でできています。バックシートを置いたら、太陽光を太陽電池に取り込むガラスシートの薄層を太陽電池の上に置きます。この薄いシートの貼り付けには、エチレン酢酸ビニルという接着剤が使われます。これで、すべての部材を梱包したフレームができあがりました。
ジャンクションボックスの設置
ソーラーパネルの準備ができたら、ジャンクションボックスを接続します。ジャンクションボックスは、ソーラーパネルからインバータへのエネルギーの流れを維持し、逆方向の電気の流れが起きないようにして、ソーラーパネルの配線に損傷やダメージが起こらないようにするために使用します。
ソーラーパネルが故障のために、パネル自身が生産したエネルギーをすべて使ってしまうようなエネルギー無生産状態では、このプログラム性が非常に重要になってきます。ジャンクションボックスは電気の逆流を止めることが最大の利点です。
品質のテスト
ソーラーパネルが市場に出る前には、標準検査条件（STC）のもとで専門的に分析され、最高の性能、効率、そしてメーカーが広告や技術仕様書で約束しているすべてのサービスが提供されていることが確認されます。
金属製フレーム
ソーラーパネルに金属製のフレームを採用することで、さまざまな天候や危険な状況からの保護、耐久性の向上、ソーラーパネルのさまざまなパーツの保持を確実にするなど、多くのメリットがあります。
配線
標準的な12V電線
これは、基本的には低電圧の電気回路で、主にバッテリーに使用されて大量の電力を送電することができます。住宅は店舗に比べてより多くの電力を必要とするため、大きな12Vケーブル線が必要になります。インバータに送られるエネルギーの量は、標準的な12Vの電線によって制御されます。そのため、高効率の品質のよい電線を使用することで、モジュールの動作を最適状態に近づけることができます。
母線
母線は、シリコン太陽電池を互いに並列接続するために使われます。将来的に母線ははんだ付けがしやすいように薄いはんだの層で覆われており、また電荷を運びやすいように十分な太さがあります。
単結晶、多結晶、アモルファスソーラーパネルとは？
ソーラーパネルは、数十種類の元素から構成されています。その中でもっとも重要な元素がケイ素（シリコン）です。シリコンは半導体材料であり、条件が異なると導体と絶縁体の両方の役割を果たすことができます。一般的な金属とは異なり、シリコンは温度が上がると電気を通しやすくなります。シリコン電池に光が当たると、電池内の電子が動き出し、やがて電気の流れが起こります。この現象を光起電力効果といいます。
このシリコン電池を使って作られたパネルには、次のような改良型があります：
1) 単結晶ソーラーパネル
2) 多結晶ソーラーパネル
3) アモルファスソーラーパネル
単結晶ソーラーパネル
単結晶ソーラーパネルは、シリコンウエハーをフォーマットに作られたパネルで、シリコンウェハーは1個の巨大なシリコンの塊から作られます。ソーラーパネルの表面に貼り付けるため、製造工程の中にはシリコンウエハーを薄く切断する工程が含まれます。単結晶の太陽電池は、多結晶の太陽電池に比べて発電効率が高いという研究結果があります。単結晶のウエハーを作るには多くの労力が必要で、多結晶の太陽電池より明確に値段は高くなります。単結晶の太陽電池でできたソーラーパネルの色は黒色になります。
多結晶ソーラーパネル
多結晶太陽電池もシリコン電池ですが、塊をスライスしてウエハーにするのではなく、シリコンの結晶を完全に溶融して取り出す方法で作られます。大量のシリコン分子を溶かした後、それぞれを融合させて最終的にソーラーパネルにします。先ほど述べたように、単結晶の太陽電池は多結晶の太陽電池に比べてはるかに効率が高く、多結晶は単結晶に比べて脆弱で、価格も安い、ということになります。多結晶ソーラーパネルの色は、青みがかった色をしています。
アモルファスソーラーパネル
最後は、アモルファスソーラーパネルです。アモルファス太陽電池は、主に薄膜太陽電池に使用される素材となります。アモルファス太陽電池は、非結晶体であるため、ガラス、プラスチック、金属などさまざまな物体に接着することができます。そういった意味で、薄膜太陽電池は通常のソーラーパネルとは異なり、柔らかくサイズにムダがないため、アモルファス太陽電池との親和性が高いといえます。アモルファス太陽電池は、単結晶太陽電池や多結晶太陽電池に比べて効率の点では劣っています。
ソーラーパネルに関するキーポイント
- ソーラーパネルは、クリーンなエネルギーを供給しながらも家計を軽くしてくれる。
- ソーラーパネルは、主にガラス、金属、シリコン半導体の3種類の材料で構成されている。
- すぐれた品質のソーラーパネルは、通常、単結晶または多結晶シリコンで構成されている。
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