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くうしょういしなみ
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1 Ⅵ 太陽電池の基礎実験 1 目的近年の環境問題やエネルギー問題に対する意識の向上から太陽電池への注目が高まっているここでは太陽電池の持つ特性について実験を行い太陽電池の接続法種類発電量各種特性について確認するとともに光源や光の強さ温度による発電量の違いについて理解する 2 関係知識 (1) 測光光の明るさを表す量には幾つかあり光度光束光度エネルギー輝度照度などがあるア光度光源からある方向に放射された光が単位立体角 1 あたりの光の量を示す単位はカンデラ (cd) を用いるイ光束光源からある方向に放射されたすべての光の量である単位はルーメン (lm) を用い平面に照射された光の量を表すウ光度エネルギー光度エネルギーとは別名光量とも呼ばれ光源からある方向に放射されたすべての光の明るさとその継続時間を示す単位にはルーメン秒 (lm s) を用いるエ照度照度はどれだけ対象物を照らしているかを示す単位面積あたりに照射された光束 ( ある面をある時間に通過する光の量 ) で示される机の上や部屋などの明るさを示すのに使われる単位はルクス (lx) またはルーメン毎平方メートル (lm/m 2 ) を用いる光束をΦ[lm], 入射面積をA[ m2 ] とすると照度 Eは (6 1) 式で表される E= Φ A [lx] (6 1) オ輝度光度は点光源の場合に用い輝度は面で発光する場合に用いる光源の単位面積あたりの明るさを示す単位はカンデラ毎平方メートル (cd/m 2 ) である 1 単位立体角は半径 1 の球体がある時面積が 1 である表面をなす 1

2 (2) 太陽電池の原理太陽電池は半導体でできており光エネルギーを直接電力に変換する光電効果の一種である光起電力効果を応用して太陽光のエネルギーを直接電気エネルギーに変える光電池の一種である一般的な一次電池 ( マンガン電池やアルカリ電池といった放電のみの電池 ) や二次電池 ( 蓄電池とも呼ばれ充電のできる電池のこと ) のように電力を蓄えているのではなく光起電力効果によって光を受けたと同時に電力に変換し出力する光起電力効果とは物質に光を照射することで起電力が発生する光電効果の1つである光電効果とは物質が光を吸収した際に物質内の電子が励起され表面に放出される ( 図 Ⅳ-1 参照 ) 構造としては p 型半導体とn 型半導体を接続した形である (pn 接合 ) p 型は正孔を多く含んだ不純物半導体であるつまり半導体の素材として 4 価の物質であるケイ素 (si: シリコン ) に3 価の元素であるホウ素を加えたものである n 型半導体は不純物に5 価の元素であるリン (P) やヒ素 (As) を加えた不純物半導体である 1 p 型半導体 ( 左側 ) と n 型半導体 ( 右側 ) を接合させる空乏層 2 接合部分は p 型半導体の正孔と n 型半導体の電子が結合しキャリアが存在しなくなるこの存在しないエリアを空乏層というキャリアはなくなるが電界が生じるこの電界を内部電界と呼ぶ光 4 光を受けるとドリフト電流が生じ p 型半導体には正孔が生じ n 型半導体は電子が生じるこれを取り出し利用する図 Ⅵ 1 光起電力効果素子 1 個あたり 0.6V 1cm 2 あたり 30 ミリアンペア程度の電力を生じることができるこれを直並列接続して所要の電力を発生させることができる 2

3 (3) 光電効果 (Photoelectric effect) 光電効果とは物質が光を吸収した際に物質内部の電子が励起される現象もしくはそれに伴って電子が飛び出したり光伝導や光起電力効果が現れることを示すこの光電効果には外部光電効果と内部光電効果がある外部光電効果は光を受けることで物質の表面から電子が放出される現象のことを示す内部光電効果とは半導体に十分に短波長の光を照射すると物質内部の伝導電子 2 が増加する現象である太陽電池の場合内部光電効果を用いたものであるが一般的には光起電力効果という用語を用いる外部光電効果の応用例として光電管光電子増倍管光電セルなどがあるまた内部光電効果にはフォトダイオードや CdS 光導電セル 3 などがある (4) 光電池光電池とはある種の半導体に光を中てると光が照射された部分とそうでない部分の間に発生する起電力を利用した装置であるセレン光電などカメラの露出計に利用されている (5) 太陽電池の種類と特徴太陽電池には材質からシリコン系と無機化合物系に大別できる ( 図 Ⅵ-2) この他有機化合物を用いた湿式太陽電池等多くの種類が存在する今回の実験では安価で容易に入手することができるシリコン系で単結晶タイプと多結晶タイプの2 種類を取り上げた単結晶シリコン () 系多結晶アモルファス ( 非結晶 ) 乾式 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) 無機化合物半導体 CdTe( カドミウムテルル ) CIGS(Cu,In,Ga,Se の化合物の総称 ) 湿式色素増感図 Ⅵ-2 太陽電池の分類 2 物質において電気伝導を担う電子のこと 3 硫化カドミウムを使用した光センサ光が当たることで抵抗値が変化する 3

ア乾式系 ( ア ) シリコン () 系 a 単結晶シリコン太陽電池単結晶はシリコン原子が規則正しく並んだ状態であり材料としてのシリコンが最大限の能力を発揮できる状態であるそのためエネルギー変換効率と信頼性が高いのが特徴である当初は半導体製造における不良品を太陽電池として使用していたが太陽電池の需要が増加し今までの製造方法では足りなくなってきた純度の高いシリコン 4

) 図 Ⅵ-3 単結晶シリコン太陽電池 b 多結晶シリコン太陽電池単結晶シリコンはコスト大量生産といった面での課題がありそこでシリコンウェハの元となる結晶シリコンインゴットを別の方法で製造した多結晶シリコンを材料としている異なった面方位を向いた多くの単結晶が継ぎはぎになって形成されているため結合部分が不完全になっているこれが変換効率に悪影響を及ぼす

4 ア乾式系 ( ア ) シリコン () 系 a 単結晶シリコン太陽電池単結晶はシリコン原子が規則正しく並んだ状態であり材料としてのシリコンが最大限の能力を発揮できる状態であるそのためエネルギー変換効率と信頼性が高いのが特徴である当初は半導体製造における不良品を太陽電池として使用していたが太陽電池の需要が増加し今までの製造方法では足りなくなってきた純度の高いシリコン 4 を使用しているため材料コストが高いことが難点であるしかし現在はパソコンや IC などに使われるほど高純度である必要性はなくソーラーグレードシリコン (SOG) 5 と呼ばれる安価な材料をもとに作られている図 Ⅵ-3は単結晶シリコン太陽電池とシリコン原子の配列 ( イメージ ) である写真内の白線は表面電極である単結晶シリコン太陽電池 ( セル ) シリコン原子の配列 ( イメージ ) 図 Ⅵ-3 単結晶シリコン太陽電池 b 多結晶シリコン太陽電池単結晶シリコンはコスト大量生産といった面での課題がありそこでシリコンウェハの元となる結晶シリコンインゴットを別の方法で製造した多結晶シリコンを材料としている異なった面方位を向いた多くの単結晶が継ぎはぎになって形成されているため結合部分が不完全になっているこれが変換効率に悪影響を及ぼす表面には大理石のような複雑な模様が見えるのも特徴である単結晶シリコンと比較するとエネルギー変換効率は劣るが材料や製造時に必要とするコストは抑えることが可能である図 Ⅵ-4は多結晶シリコンの写真である写真内の白線は表面電極である図 Ⅵ-4 多結晶シリコン太陽電池 ( セル ) 4 物質の純度が % 以上イレブンナインとも呼ばれる 5 太陽電池に用いるシリコンの純度は 6N( %)~7N( %) 程度 4

5 c アモルファス ( 非結晶 ) シリコン太陽電池製造に必要なシリコンをなるべく節約し低コストな太陽電池を作る方法として薄膜シリコンが開発された薄膜中では原子の配列が不規則な状態 ( アモルファス ) になっている配列の乱れによって電子を吸収しやすくなり性能に大きく影響するそのため水素などを加える対策をとるエネルギー変換効率は結晶系の太陽電池と比較すると劣るが 0.5mm 程度の薄膜で発電が可能なためコストを低く抑えることができるまた光照射とともに性能が変化する現象も現れるため微結晶シリコン薄膜と組み合わせるなどの高性能化に向けた努力がなされている d HIT 太陽電池 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) 太陽電池はアモルファスと単結晶シリコンを積層したシリコン系太陽電池である高い変換効率が得られるため近年注目されている太陽電池を屋外で使用すると 80 近くまで温度が上昇するこのような厳しい環境の中 HIT 太陽電池は単結晶シリコンに比べて高温時での特性低下が少なく事実上発電量が多くなる利点があるまた構造上反射光などを利用して裏面でも発電することができる特徴を持っている ( イ ) 化合物半導体系 a カドミウムテルル (CdTe) 太陽電池カドミウムテルル (CdTe) 太陽電池は半導体の光吸収の基本となるバンドギャップ 6 値が約 1.5eV 7 であるため太陽光スペクトルに対する太陽電池の理論変換効率が最適値に近いのが特徴であるまた太陽電池の薄膜化が可能となり低コストで高効率の太陽電池として期待されている b CIGS 太陽電池シリコンの代わりにカルコパイライト ( 黄銅鉱 ) 系と呼ばれる材料を使っている代表的なものが銅 (Cu) インジウム (In) ガリウム (Ga) セレン (Se) の化合物 ( 略して CIGS) でシリコンを使用しない特徴はシリコンに比べて光の吸収率が高いことであるわずか1~2μm の厚さで受けた光を全て吸収し発電することができるまた基板を選ばずガラスやプラスチックの上に太陽電池を作れるほか放射線にも強く宇宙開発などに適しているイ湿式系 ( ア ) 色素増感太陽電池ナノメートルサイズの酸化チタン微粒子でできた薄膜電極光増感剤である色素ヨウ素イオンを含む電解液薄筋やカーボンなどの対向電極から構成されている 6 価電子帯と伝導帯のエネルギーの差 7 電子ボルト :1V の電位差がある自由空間内で電子 1 つが得るエネルギーを 1eV とする 5

6 色素が光を吸収して電子を発生し発電する光合成によく似た発電方法であるそこで有機色素の種類を選ぶことにより赤や緑などといったカラフルな太陽電池を作ることも可能であるしかし乾式太陽電池と比較するとその電気特性は劣り実用化にはまだまだ至らないが盛んに研究開発が行われている (6) 太陽電池の構成太陽電池は照射された光を逃がさずに効率よく吸収する必要があるそのために表面に無反射膜をつけたり凹凸をつけたりとなるべく反射させずに太陽電池内部に光を閉じこめる構造が必要とされている太陽電池は太陽電池セル ( 図 Ⅵ-5 写真参照 ) と呼ばれるものを集めて太陽電池モジュールとしさらにそのモジュールを集めたモジュール群を太陽電池アレイといい一般的にはこの太陽電池アレイを太陽光発電システム内に取り入れ発電する役割を担っている (a) セル (b) モジュール (c) アレイ図 Ⅵ-5 太陽電池の構成 (7) 太陽電池の出力特性太陽電池の出力特性は受光面 1 m2あたり 1,000w の太陽エネルギーが照射される状態での性能を表示しているこれは真夏の晴天における南中時に太陽電池をまっすぐ太陽に向けた時の状態と同じである太陽電池の性能が 1.75V,415mA などの表示であった場合負荷が接続されていないときの電圧 ( 開放電圧 ) が 1.75V 以上あることであり 415mA とは短絡電流のことであるつまり太陽光の状態が最良のときに短絡させたときの電流値である太陽電池は一次電池のように電圧を保って出力する定電圧電源と異なり電流を一定に保とうとする定電流電源として動作するそのため Imax Isc 0 I Vmax 最大出力点 Pmax 太陽電池の電圧 - 電流特性は図 Ⅵ-6 のようになるここで各用語の説明を図 Ⅵ-7 に示す図 Ⅵ-6 Voc 電圧 - 電流特性 Voc : 開放電圧 (open circuit voltage) 太陽電池に光が照射しているとき端子開放時の出力電圧 Isc : 短絡電流 (short-circuit current) 短絡した時の電流 Pmax: 最大出力点 (maximum power point, 最適動作点最適負荷点 ) 最大の出力電力を与える動作点 Vmax: 最大出力点における電圧 Imax: 最大出力点における電流 V 図 Ⅵ-7 電圧 - 電流特性に関係する記号 6

7 効率よく太陽電池を利用するためには最大出力点付近で動作させる必要がある大電力用のシステムの場合負荷電力の増減を測定し出力電圧を最大出力点に一致させる制御が必要となるそのため最大電力点追従装置 (Maximum Power Point Tracker, MPPT) を用いて日射量や負荷にかかわらず太陽電池側から負荷を常に最適な状態に保つようにしている (8) 太陽電池の温度特性太陽電池は温度が上昇すると発電電圧が下がり冷えると発電電圧が上がるという特性を持っているそのため太陽電池の発電量の正しい評価測定をするため表面温度の基準状態を 25 としている太陽電池の物性により異なるが結晶系では 1 温度が上昇すると約 0.4% 低下するこれは高温において禁制帯幅 ( バンドギャップ : シリコンでは 1.2eV) が減少することで出力電圧が低下する気象条件によっては太陽電池の表面温度が 60~80 にも達することがあり出力電力に大きく影響を与えることになるそのためアモルファスシリコンや一部化合物系の太陽電池では電圧低下の影響が少ないため温暖な地域では有利になる太陽電池の温度特性を図 Ⅵ-8に示すこの図から温度が高いと電流が下がることがわかる結晶シリコンの温度係数 8 は通常 -0.45%/ 前後で図 Ⅵ-8 太陽電池の温度特性あり 70 において基準温度 (25 ) に対して約 2 割の出力低下になる人工衛星用など宇宙用の太陽電池モジュールでは使用時の温度が-100 ~+120 程度の範囲で軌道周回に伴って頻繁に変化するのに対応して温度変化による疲労に配慮した製品が用いられる (9) 分光分布どのような波長分布の光が太陽電池に照射しているかを示している光源の種類によって物の見え方が大きく変わるがその見え方は分光分布の違いによるものである (10) AM(Air Mass: エアマス ) 光の大気通過量を示し大気圏外では AM0 とし AM1.0 は光の入射角が 90 度 ( 真上 ) から入射した光 AM1.5 は通過量が 1.5 倍 ( 入射角 41.8 度 ) での到達光を表わす日本では AM1.5 を基準としているまた波長の短い光は大気に吸収されやすいため AM の数値が大きくなるほど赤い光が多くなる特徴がある ( 図 Ⅵ-9 参照 ) 図 Ⅵ-9 AM( エアマス ) 8 温度が 1 上昇すると結晶シリコン系の出力が 0.45% 減少することを示す 7

8 (11) 放射照度放射照度とは平面状の物体に照射された単位面積 (1m 2 ) あたりの放射束の量を表し単位は (W/m 2 ) を用いる太陽光エネルギーは大気を通過して地表に到達すると 1000W/m 2 程度になりこの値を放射照度の基準状態としている受光面の放射照度が変化するとその大きさに比例して短絡電流が変化し出力電力も変化する ( 図 Ⅵ-10 参照 ) 放射照度は天候に大きな影響を受けるため太陽電池の設置方向や設置角度を最適に動作できるように設置する必要がある図 Ⅵ-10 放射照度特性 (12) 分光感度分光感度とは波長による感度の違いを表す物性により違いが生じ結晶シリコン太陽電池では赤外領域が感度のピークとなる蛍光灯では可視光領域で数本のピーク (450nm: 青 540nm: 緑 610nm: 赤 ) の光を多く放射しているので太陽電池では反応しにくい光である白熱電球は黒体放射 9 に近い放射をし赤外領域をたくさん放射できる 3 実験 (1) 太陽電池の接続実験ここでは単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池をそれぞれ 2 枚用意し直列接続および並列接続における解放電圧 ( 最大電圧 ) と短絡電流 ( 最大電流 ) を測定する光源や照度による差が生じないように実験を行なう必要があるア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-1に示す表 Ⅵ-1 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 2 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 2 光源ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 照度計 HIOKI LUX HiTESTER 電圧計 DC 10V 程度 1 アナログ推奨電流計 DC 1A 0.5A 1 アナログ推奨電圧調整スライダック 1 台紙工作用画用紙 1 実験の下に敷く 9 あらゆる波長に渡って光を吸収放出できる物体を黒体と呼び物体から放射される光を表す温度が上がると波長のピークが短い方へスライドする

表 Ⅵ-2 使用太陽電池の性能単結晶シリコン太陽電池多結晶シリコン太陽電池写真最大出力 (Pm) 0.57W 0.

44V 最大電流 ( 短絡電流 )(Isc) 450mA 415mA 最大電圧 ( 解放電圧 )(Voc) 1.7V 1.

単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分にセットするまたビームランプの真下に来るようにセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する ( 図 Ⅵ-12)

9 表 Ⅵ-2 使用太陽電池の性能単結晶シリコン太陽電池多結晶シリコン太陽電池写真最大出力 (Pm) 0.57W 0.57W 最大出力動作電流 (Ipm) 410mA 400mA 最大出力動作電圧 (Vpm) 1.4V 1.44V 最大電流 ( 短絡電流 )(Isc) 450mA 415mA 最大電圧 ( 解放電圧 )(Voc) 1.7V 1.75V イ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-11 のようにビームランプをある高さで固定する ( 太陽電池表面から 80cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分にセットするまたビームランプの真下に来るようにセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する ( 図 Ⅵ-12) ( エ ) 太陽電池の中心部に照度計をセットする ( オ ) ビームランプを点灯させるこのとき照度計を見ながら 30,000 ルクスになるようにスライダックを調整する ( カ ) 照度計をはずし電圧と電流を測定し記録する ( キ ) 同じ太陽電池をもう一枚用意し 2 枚を並列接続し同じように実験する ( ク ) 太陽電池の配線を直列接続で実験する ( ケ ) 多結晶シリコン太陽電池に交換し同じ実験を繰り返すスライダックランプ光太陽電池または電圧計図 Ⅵ-11 実験図 Ⅵ-12 配線図 9

ウ実験結果測定結果を表 Ⅵ-3 表 Ⅵ-4 に記入する表 Ⅵ-3 単結晶シリコン ( 温度 ) 表 Ⅵ-4 多結晶シリコン ( 温度 ) 電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 単体 (1 個 ) 30,000 単体 (1 個 ) 30,000 並列接続 30,000 並列接続 30,000 直列接続 30,000 直列接続 30,000

10 ウ実験結果測定結果を表 Ⅵ-3 表 Ⅵ-4 に記入する表 Ⅵ-3 単結晶シリコン ( 温度 ) 表 Ⅵ-4 多結晶シリコン ( 温度 ) 電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 単体 (1 個 ) 30,000 単体 (1 個 ) 30,000 並列接続 30,000 並列接続 30,000 直列接続 30,000 直列接続 30,000 エ注意点実際に実験の様子を図 Ⅵ-13 に示すがこの実験は外部の光の影響を受けるので実験中はできるだけ太陽電池の周りを暗くする必要があるオ参考データ図 Ⅵ-13 実験中参考実験データを表 Ⅵ-5 と表 Ⅵ-6 に示す表 Ⅵ-5 単結晶シリコン表 Ⅵ-6 多結晶シリコン電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 電圧 [V] 電流 [ma] 照度 [lx] 単体 ,000 単体 ,000 並列接続 ,000 並列接続 ,000 直列接続 ,000 直列接続 , (2) 光の色 ( 波長 ) を変えた実験 1 光の波長を変えたとき単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の特性を調べる実験である 4 色 ( 赤黄緑青 ) のセロファンを準備し太陽電池の受光面に乗せたときの電圧と電流を計測するここでは簡易実験とするため手軽に入手可能な色セロファンを用意しそのセロファンを通過した光で発電量を測る 11 実験では各色 ( 赤黄緑青 ) のセロファンを準備し透過光の色 ( 波長 ) を変え電圧と電流の値を測定する本来は分光光度計を用いた測定が必要であるが各学校で実施可能な簡易実験となっている 10

ア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-7に示す表 Ⅵ-7 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 1 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 1 光源ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 照度計 HIOKI LUX HiTESTER3423 1 電圧計 DC 10V 程度 1

11 ア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-7に示す表 Ⅵ-7 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 1 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 1 光源ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 照度計 HIOKI LUX HiTESTER 電圧計 DC 10V 程度 1 アナログ推奨電流計 DC 1A 0.5A 1 アナログ推奨電圧調整スライダック 1 台紙工作用画用紙 1 実験の下に敷く色セロファン赤黄緑青各 1 枚ホームセンター等で販売イ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-11 のようにビームランプをある高さで固定する ( 太陽電池表面から 80cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットするビームランプの真下に来るようにセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する ( エ ) 太陽電池の中心部に照度計をセットする ( 図 Ⅵ-15) ( オ ) ビームランプを点灯させるこのとき照度計を見ながら 15,000 ルクスになるようにスライダックを調整する ( カ ) 照度計をはずし電圧と電流を測定し表 Ⅵ-6に記録する ( キ ) 次に太陽電池の受光部分に赤色のセロファンを重ねるこのときセロファンと太陽電池の間に照度を測定し表 Ⅵ-8に記録する ( 図 Ⅵ-14 参照 ) ( ク ) 電圧と電流を測定し表 Ⅵ-8に記録する ( ケ ) セロファンを黄色のものに変更し同じ実験を繰り返す ( コ ) セロファンを緑青と変えて実験を繰り返す ( サ ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し同じ実験を繰り返し表 Ⅵ-9に記録するヒームランフセロファン太陽電池照度計測定場所図 Ⅵ-14 実験の様子図 Ⅵ-15 実験配置図 11

12 ウ実験結果 ( ア ) 測定した結果を表 Ⅵ-8および表 Ⅵ-9に記録する表 Ⅵ-8 単結晶シリコン表 Ⅵ-9 多結晶シリコン電圧電流照度電圧電流照度 [V] [ma] [lx] [V] [ma] [lx] なし 15,000 なし 15,000 赤赤黄黄緑緑青青 ( イ ) 結果の表からグラフを書いて検討するエ参考例参考に測定した結果を表 Ⅵ-10 表 Ⅵ-11 図 Ⅵ-16 に示す表 Ⅵ-10 単結晶シリコン表 Ⅵ-11 多結晶シリコン電圧電流照度電圧電流照度 [V] [ma] [lx] [V] [ma] [lx] なし ,000 なし ,000 赤 ,100 赤 ,120 黄 ,320 黄 ,460 緑 ,300 緑 ,320 青 ,116 青 ,132 照度 [lx] 光の色 ( 波長 ) を変えて測定 - 照度なし赤黄緑青電圧 [V] 光の色 ( 波長 ) を変えて測定 - 電圧なし赤黄緑青電流 [ma] 光の色 ( 波長 ) を変えて測定 - 電流なし赤黄緑青 (a) 照度 (b) 電圧 (c) 電流図 Ⅵ-16 光の色 ( 波長 ) を変えて測定結果例 ( 単結晶シリコン太陽電池の場合 ) 12

(3) 光の色 ( 波長 ) を変えた実験 2 光の波長を変えたとき単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の特性を調べる実験である 3 色 ( 赤黄青 ) のセロファンを準備し太陽電池の受光面に乗せたときの電圧と電流を計測する太陽電池が受ける照度を一定にした場合セロファンを通過する光の色による発電量の違いについて検証するア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表

13 (3) 光の色 ( 波長 ) を変えた実験 2 光の波長を変えたとき単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の特性を調べる実験である 3 色 ( 赤黄青 ) のセロファンを準備し太陽電池の受光面に乗せたときの電圧と電流を計測する太陽電池が受ける照度を一定にした場合セロファンを通過する光の色による発電量の違いについて検証するア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-12 に示す表 Ⅵ-12 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 1 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 1 光源ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 照度計 HIOKI LUX HiTESTER 電圧計 DC 10V 程度 1 アナログ推奨電流計 DC 1A 0.5A 1 アナログ推奨電圧調整スライダック 1 台紙工作用画用紙 1 実験の下に敷く色セロファン赤黄青各 1 枚ホームセンター等で販売イ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-11 のようにビームランプを固定する (80cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分にセットする ( ビームランプの真下にくるようにセットする ) ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する ( エ ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットする ( オ ) 赤色セロファンを照度計の上に被せるビームランプを点灯させ照度計の値が (3) の実験から黄色のセロファン時の照度値になるようにスライダックを調整する ( カ ) 照度計をはずし電圧と電流を測定し表 Ⅵ-13 に記録する ( キ ) セロファンを青色のものに変更し同じ実験を繰り返す ( ク ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し同じ実験を繰り返し表 Ⅵ-14 に記録する図 Ⅵ-17 実験の様子 13

14 ウ実験結果実験結果を表 Ⅵ-13 と表 Ⅵ-14 に記録する表 Ⅵ-13 単結晶シリコン表 Ⅵ-14 多結晶シリコン電圧電流照度電圧電流照度 [V] [ma] [lx] [V] [ma] [lx] 黄黄赤赤青青エ結果の整理今回の実験から分かったことを書きなさい (4) 光源の種類を変えたときの発電量の実験光源 ( 蛍光灯ビームランプ ) の種類によって照度を同じ値にしたとき発電量がどのようになるか確認するこのとき照度計の値を合わせて実験を行うア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-15 に示す表 Ⅵ-15 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 1 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 1 光源 1 ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 光源 2 電球型蛍光ランプ 2 60W タイプ照度計 HIOKI LUX HiTESTER 電圧計 DC 10V 程度 1 アナログ推奨電流計 DC 1A 0.5A 1 アナログ推奨電圧調整スライダック 1 台紙工作用画用紙 1 実験の下に敷くイ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-18 のように電球型蛍光ランプ (2 個 ) を固定する (10cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する ( エ ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットする照度が 5,000 ルクスになるように高さを微調整する ( ビームランプの場合高さよりもスライダックで 14

電圧を調整する ) ( オ ) 照度計をはずし電圧と電流を測定し表 Ⅵ-16 に記録する ( カ ) 多結晶シリコン太陽電池に変えて同じ測定をし表 Ⅵ-17 に記録する ( キ ) 光源をビームランプに変更し同じ実験を繰り返すウ表 Ⅵ-18 実験セットの様子実験結果実験結果を表 Ⅵ-16 と表 Ⅵ-17 に記録する表 Ⅵ-16 光源の種類を変えたときの発電量 (

15 電圧を調整する ) ( オ ) 照度計をはずし電圧と電流を測定し表 Ⅵ-16 に記録する ( カ ) 多結晶シリコン太陽電池に変えて同じ測定をし表 Ⅵ-17 に記録する ( キ ) 光源をビームランプに変更し同じ実験を繰り返すウ表 Ⅵ-18 実験セットの様子実験結果実験結果を表 Ⅵ-16 と表 Ⅵ-17 に記録する表 Ⅵ-16 光源の種類を変えたときの発電量 ( 単結晶シリコン太陽電池の場合 ) 表 Ⅵ-17 光源の種類を変えたときの発電量 ( 多結晶シリコン太陽電池の場合 ) 単結晶電圧 (V) 電流 (ma) 照度 (lx) 多結晶電圧 (V) 電流 (ma) 照度 (lx) 蛍光灯 5,000 蛍光灯 5,000 ヒームランフ 5,000 ヒームランフ 5,000 エ結果の整理この実験結果から分かったことを書きなさい 15

(5) セルの温度による発電量実験太陽電池は発電と同時に発熱もするこの発熱は発電量にどのような影響がでるか確認するビームランプの光で太陽電池表面の温度がある程度上昇するが必要に応じてドライヤーを使用し温度を上昇させ実験を行うア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-18 に示す表 Ⅵ-18 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L

実験の下に敷くイ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-11 のようにビームランプを固定する (80cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計を接続する光を遮らないように熱電対を付ける ( 図 Ⅵ-19 参照 ) ( エ ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットし照度が 30,000

16 (5) セルの温度による発電量実験太陽電池は発電と同時に発熱もするこの発熱は発電量にどのような影響がでるか確認するビームランプの光で太陽電池表面の温度がある程度上昇するが必要に応じてドライヤーを使用し温度を上昇させ実験を行うア実験に必要な機器実験に必要な機器の一覧を表 Ⅵ-18 に示す表 Ⅵ-18 使用機器一覧品名仕様数量備考単結晶シリコン太陽電池ダイワ L 型 1 表 Ⅵ-2 参照多結晶シリコン太陽電池ダイワ C 型 1 光源 1 ヒームランフ ( 集光型 15 )150 形 1 110V 120W 温度計熱電対型 1 照度計 HIOKI LUX HiTESTER 電圧計 DC 10V 程度 1 アナログ推奨ドライヤ 1,500W 程度のハンドドライヤ 1 温度上昇用電圧調整スライダック 1 台紙工作用画用紙 1 実験の下に敷くイ実験方法 ( ア ) 図 Ⅵ-11 のようにビームランプを固定する (80cm 程度 ) ( イ ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする ( ウ ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計を接続する光を遮らないように熱電対を付ける ( 図 Ⅵ-19 参照 ) ( エ ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットし照度が 30,000 ルクスになるようにスライダックで電圧を調整する ( オ ) 照度計を外し温度と電圧を測定し表 Ⅵ-19 に記録する ( カ ) ドライヤの温風を当て太陽電池の温度を上昇させながらその温度と電圧を順次記録する ( 図 Ⅵ-20 参照 ) ( キ ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し同じ実験を繰り返し表 Ⅵ-20 に記録する図 Ⅵ-19 温度計のセット図 Ⅵ-20 温度を上げている様子 16

17 ウ実験結果測定結果を表 Ⅵ-19 および表 Ⅵ-20 に記録する表 Ⅵ-19 単結晶シリコン温度電圧 [ ] [V] 表 Ⅵ-20 多結晶シリコン温度電圧 [ ] [V] エ結果の整理 ( ア ) 得られた結果を横軸に温度縦軸に電圧のグラフを書いてみよう ( イ ) 使用している太陽電池の最大電圧から何 % 落ちているか計算してみなさいオ実験参考例実験例を図 Ⅵ-21 に示した図 Ⅵ-21 温度変化による発電量の変化 17

18 インバータ負荷太充陽電池電器4 応用 (1) 太陽光発電システム太陽電池で発電した電気を使用する場合様々なシステムが考えられる太陽電池と負荷が直接接続する小規模なシステムから電力会社と系統連係運転をする大規模なシステムまで幅広く考えることができる今日一般家庭の屋上にも太陽光発電システムの設置が目立つようになってきたこれらのシステムは電力会社と系統連係運転をするシステムであり図 Ⅵ-22 のようになっている一般的にこの発電方式が使われており 12 太陽電池と電力会社の配電線間に逆潮流型のインバータを接続し負荷に対する電力供給は常時太陽電池または電力会社から受けとる昼間は太陽電池による発電量が多く家庭での使用電力が少ない期間は発電余剰電力を電力会社に販売し夜間は太陽電池による発電がほとんどないため電力会社より買電する太陽電池システムに蓄電池を取り付けるのは災害時などに電力が止まると電力使用が出来ないためこの欠点を補うものである蓄電池 ~ 電力会社図 Ⅵ-22 太陽光発電システム構成例教育用に開発された太陽光発電システムが販売されており図 Ⅵ-23 にその一例を示すこのシステムによる主な学習内容は以下の通りである太陽電池による発電システムの学習太陽電池の照度変化による特性実験太陽電池の変換効率の測定パソコンによる発電状況の自動測定およびデータ解析の学習 12 逆潮流とは家庭で使用している電力より多く発電したとき電力会社の電線を通じて電気が電力会社に戻ること 18

19 図 Ⅵ-23 太陽光発電システムの一例 19

20 (2) 実測値の例表 Ⅵ-21 および図 Ⅵ-24 はパソコンによる発電状況の自動測定のデータの例を示すこのデータからわかることを考察しなさい表 Ⅵ -21 太陽光発電システムを用いた測定結果 1 天気 : 晴れ温度 :25 湿度 :69% 角度 :45 測定場所 : 屋外日付時刻日射量発電発電発電日計発電総発電電圧電流電力電力電力 YYYY/MM/DD HH:MM:SS kw/ m2 V A W Wh kwh 2008/10/2 13:55: /10/2 14:00: /10/2 14:05: /10/2 14:10: /10/2 14:15: /10/2 14:20: /10/2 14:25: /10/2 14:30: /10/2 14:35: /10/2 14:40: /10/2 14:45: /10/2 14:50: /10/2 14:55: /10/2 15:00: /10/2 15:05: 図 Ⅵ-24 太陽光発電システムによる測定結果 2 20

21 ５太陽電池の今後について今太陽電池はいろいろな分野で実用化に向けた研究が進められている国も太陽光発電が 2010 年には現状の 10 倍 2030 年には 40 倍を目指すという目標を掲げ平成 21 年度 4 月から個人住宅向けの太陽光発電補助東京都で個人向け太陽光発電設備の助成を行う動きがある世界的には 2006 年から 2007 年で太陽電池生産量は約 1.5 倍に増加したこれは 2 年間で約 10 基の原子力発電所が出来たことに相当するフィードインタリフ制度13 をベースに欧州ではメガワット級の大規模太陽光発電施設の着工が進んでいる国内では関西電力と堺市とシャープは 2008 年 6 月に計 28MW 発電施設九州電力と福岡県大牟田市は同年 8 月に計 3MW 発電施設そして東京電力と川崎市は 10 月に計 20MW 発電施設の計画を発表している世界的なメガソーラー計画である北海道稚内市には 2009 年の工事完了時での総発電量は約５MW になる日本最大級の太陽光発電所がある 5MW の発電量は稚内の電力需要の２に相当し一般家庭で換算すると一日当たり約 1,700 戸分の電力を賄える採用している太陽光発電パネルは単結晶系多結晶系アモルファス系など 10 種類で特に結晶系が効率よく稼働している結晶系は気温が低くなればなるほど性能が良くなり年間を通して気温が低い稚内において発電実績は非常に高い一層大規模太陽光発電施設の計画がさらに進むと考えられている数々の実績から電力供給インフラのひとつとして自然エネルギーである太陽光発電を本格的に位置付ける動きが出てきた日本では二酸化炭素を出さない電源として原子力と水力の比率が大きいが太陽光発電はそれらを補うための役割を果たす可能性がある今後の太陽電池は超薄型へと開発が進みさらに CIS 化合物系太陽電池 14などシリコン以外の太陽電池の変換効率がシリコン結晶系と同等の研究が進んでいる中でもプラスチックフィルム型色素増感太陽電池は曲げたり伸ばしたりしても壊れず向こう側の景色が透けて見え紙のように丸めることができるまたシリコン系太陽電池に比べて製造コストが大幅に安いという大きな特徴を持つため屋内外を問わずこれまで太陽電池など付けられないと思われてきた物や場所でも太陽電池を利用できる新たな可能性が生まれたシリコン系太陽電池の製造にはシリコンを精製する工程がコスト高となる色素増感太陽電池の材料は安価で資源量が多いため製造コストが安い 1平方メートルで2,000 3,000円位と予想されている色素増感太陽電池は蛍光灯を当てた場合太陽光に比べて発電効率が約２倍になるという特性を持ち蛍光灯やネオンサインなど様々な光で発電することができるシリコン系太陽電池は高い発電効率と耐久性を持つので狭い面積で大きな電力を得たい場合に使えば良く色素増感太陽電池は室内も含め幅広い用途に使用する両者を併用することで昼夜問わない発電システムとなり得る可能性もありますます太陽電池への期待が高まっている 13 feed-in tariff law 固定価格買取制度再生可能エネルギー(いわゆる自然エネルギー)の普及と技術開発を促進するもので助成政策の一種である 14 光吸収層の材料としてシリコンの代わりに Cu In Ga Al Se S などから成るカルコパイライト系と呼ばれる I-III-VI 族化合物を用いる 21

ＬＥＤの光度調整について

ＬＥＤの光度調整について光測定と単位について目次 1. 概要 2. 色とは 3. 放射量と測光量 4. 放射束 5. 視感度 6. 放射束と光束の関係 7. 光度と立体角 8. 照度 9. 照度と光束の関係 10. 各単位の関係 11. まとめ 1/6 1. 概要 LED の性質を表すには光の強さ明るさ等が重要となりこれらはその LED をどのようなアプリケーションに使用するかを決定するために必須のものになることが殆どです

Microsoft Word - Ｈ20全テキスト（起案後 ）

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