ソーラーパネルはどのように機能しますか？

ソーラー式電卓であろうと、国際宇宙ステーションであろうと、ソーラーパネルは、化学電池や標準のコンセントと同じエレクトロニクスの原理を使用して電気を生成します。 ソーラーパネルでは、回路を通る電子の自由な流れがすべてです。

ソーラーパネルがどのように電力を生成するかを理解するために、高校の化学の授業に戻るのに役立つかもしれません。 太陽電池パネルの基本要素は、コンピューター革命の創出に貢献したのと同じ要素、つまり純粋なシリコンです。 シリコンからすべての不純物が取り除かれると、シリコンは電子の伝達に理想的な中性のプラットフォームになります。 シリコンには原子レベルの特性もあるため、ソーラーパネルの作成にとってさらに魅力的です。

シリコン原子には、外側のバンドに8つの電子の余地がありますが、自然状態では4つの電子しか運ばれません。 これは、さらに4つの電子の余地があることを意味します。 1つのシリコン原子が別のシリコン原子と接触すると、それぞれが他の原子の4つの電子を受け取ります。 これにより強い結合が作成されますが、8つの電子が原子のニーズを満たすため、正または負の電荷はありません。 シリコン原子は何年も結合して、純粋なシリコンの大きな断片になることがあります。 この材料は、ソーラーパネルのプレートを形成するために使用されます。

ここから科学が始まります。 純粋なシリコンの2つのプレートは、正または負の電荷を持たないため、ソーラーパネルで電気を生成しません。 太陽電池パネルは、シリコンを正または負の電荷を持つ他の要素と組み合わせることによって作成されます。

たとえば、リンには、他の原子に提供する5つの電子があります。 シリコンとリンが化学的に結合されている場合、その結果、安定した8つの電子が得られ、さらに自由電子が乗車します。 他のリン原子に結合しているため、離れることはできませんが、シリコンには必要ありません。 したがって、この新しいシリコン/リンプレートは負に帯電していると見なされます。

電気が流れるためには、正電荷も生成する必要があります。 これは、シリコンをボロンなどの元素と組み合わせることにより、ソーラーパネルで実現されます。ホウ素などの元素には、提供する電子が3つしかありません。 シリコン/ボロンプレートには、まだ別の電子用のスポットが1つ残っています。 これは、プレートが正電荷を持つことを意味します。 2つのプレートは、ソーラーパネルで互いに挟まれており、その間に導線が走っています。

2つのプレートを配置したら、ソーラーパネルの「ソーラー」面を取り入れるときが来ました。 自然の太陽光は多くの異なるエネルギーの粒子を放出しますが、私たちが最も興味を持っているものは光子と呼ばれています。 光子は本質的に動くハンマーのように機能します。 太陽電池の負のプレートが太陽に対して適切な角度に向けられると、光子がシリコン/リン原子に衝突します。

最終的に、とにかく自由になりたい9番目の電子は、外側のリングから打ち落とされます。 正のシリコン/ボロンプレートがそれ自体の外側のバンドのオープンスポットに引き込むため、この電子は長時間自由になりません。 太陽の光子がより多くの電子を遮断すると、電気が生成されます。 1つの太陽電池で生成される電気はそれほど印象的ではありませんが、すべての導線が自由電子をプレートから引き離すと、低アンペアのモーターやその他の電子機器に電力を供給するのに十分な電力があります。 使用されなかった、または空気に失われた電子はすべてネガティブプレートに戻され、プロセス全体が再び開始されます。

ソーラーパネルの使用に関する主な問題の1つは、サイズに比べて発電量が少ないことです。 計算機には1つの太陽電池しか必要ないかもしれませんが、ソーラーカーは数千個必要です。 太陽電池パネルの角度がわずかでも変化すると、効率が50％低下する可能性があります。

ソーラーパネルからの電力の一部は化学電池に蓄えられますが、通常、そもそも余剰電力はあまりありません。 光子を提供する同じ日光は、より破壊的な紫外線と赤外線を提供し、最終的にパネルを物理的に劣化させます。 また、パネルは破壊的な天候要素にさらされる必要があり、これも効率に深刻な影響を与える可能性があります。

多くの情報源は、太陽電池パネルを太陽電池とも呼んでいます。これは、電圧の生成における光（写真）の重要性を示しています。 将来の科学者にとっての課題は、より効率的な太陽電池パネルを作成することであり、実用的な用途に十分小さく、太陽光が利用できないときに過剰なエネルギーを生成するのに十分な強力です。