ソーラーパネルはどのように作られるのですか?

新しい太陽光発電プロジェクトが米国で設置されたばかりです。

タイマーを60秒にセットして待ちます。 一歩外に出て、太陽の光を浴びてみてはいかがでしょうか。

Zing! — 別の太陽光発電プロジェクトが設置されたばかりです。

太陽光発電産業に太陽が輝いています。 その数字は印象的です。 太陽エネルギー産業協会 (SEIA) によると、現在、米国には 2,300 万世帯に相当する電力を供給するのに十分な太陽光発電容量があります。 これは 126 ギガワット (GW) で、全国の何百万もの太陽光発電システムから供給されています。

米国の太陽光発電産業は、2021 年に 330 億ドルと評価され、23 万人以上の従業員を雇用し、年間平均 33% の割合で電力容量が増加し続けています。

2021 年に米国で太陽光パネルが発電した電力の割合は 4% 近くで、2015 年の 1% 未満から増加しました。場所によってはその数字がはるかに高くなっているところもあります。 たとえば、2021 年にはカリフォルニア州の発電量の 17% が太陽光発電によるものでした。2021 年に米国の送電網に追加された新しいエネルギー容量のほぼ半分は太陽光発電によるものでした。 さらに心強いのは、太陽光発電産業が 2030 年までに米国の電力の 3 分の 1 近くを発電することを目指していることです。

今後数年間に非常に多くのソーラーパネルが計画されているため、ソーラーパネルとは一体何で、どのように作られるのか疑問に思うかもしれません。

太陽光発電技術には 2 種類あります。 最も一般的なのは、太陽の光を利用して発電する太陽光発電 (PV) パネルまたはモジュールです。 別の技術である集光型太陽光発電 (CSP) は、代わりに太陽の熱を利用します。

最も一般的なタイプの PV パネルは、結晶シリコン (c-SI) を使用して作られています。 米国エネルギー省によると、この技術は米国の太陽光パネルの 84% を占めています。 他のタイプには、テルル化カドミウム、銅インジウム ガリウム (二) セレン化物パネル、薄膜アモルファス シリコンなどがあります。 c-SI パネルは米国および世界市場の大部分を占めているため、このブログでは c-SI パネルに焦点を当てます。

シリコンは砂から作られるため、結晶シリコン ソーラー パネルの構築は砂の城を構築するのと似ています。 ビーチの砂は二酸化ケイ素、別名シリカです。 （ビーチパトロールがこれを警告標識に掲げたら、誰もビーチに足を踏み入れなくなるでしょう！）。 二酸化ケイ素の砂や砂利の形をしたケイ素は、酸素に次いで地球上で 2 番目に豊富な元素です。

ソーラーパネルで使用される前に、二酸化ケイ素は純粋な「冶金グレードのシリコン」（MGS）に変えられる必要があります。 このプロセスでは大量のエネルギーが使用されます。1 kg の冶金グレードのシリコンを生産するには 14 ～ 16 kWh の電力が必要で、これは家庭用オーブンを 7 時間使用するのとほぼ同等です。 それでも、ソーラーパネルはその耐用年数全体で、キロワット時当たりの二酸化炭素排出量が石炭発電に比べて 25 分の 1 に抑えられます。

ケミストリーブレイク！ 冶金グレードのシリコンを調理するレシピは次のとおりです。

二酸化ケイ素 (砂利) 1 部と炭素 (石炭、木炭、または木材チップ由来) 2 部を電気アーク炉に加えます。

熱を摂氏2200度まで上げます（これは太陽の3分の1の温度です!!）

タダ！ 99% 純粋なシリコンと一酸化炭素が残ります (これは、二酸化シリコンから除去した酸素と結合して追加した炭素から生じたものです)

しかし、ソーラーパネルは完璧主義者です。 彼らはシリコンが 100% に近い純度であることを要求します。 それを達成するには、塩酸と水素ガスを使用するプロセスを使用して、シリコンをさらに純粋なポリシリコン金属にアップグレードする必要があります。 (興味深い事実: 現在、世界のシリコン生産量の約 12% がソーラー パネル用のポリシリコンに加工されています。)

酸とガスを加えた後、ポリシリコン金属の塊が残りますが、これは通常、長さ約 5 メートルの円筒型の中で再び溶かされます。 ホウ素は金属の片面にプラスの電荷を与えるために添加されます。 熱く溶けたシリコンは冷却され、円筒形のインゴットとして単結晶 (「単結晶」) 構造を形成します。 インゴットは、金の延べ棒のように、長方形の形状に鋳造されたあらゆる材料です。

(複数の結晶が形成される「多結晶」シリコン ウェーハの製造には別のプロセスが使用されます。このプロセスではパネルの効率が低下する傾向がありますが、ウェーハのコストを削減できます。)

次に、ワイヤーソーでポリシリコンの純粋な金属ブロックを紙のように薄く、通常はウエハーと呼ばれる 7 インチ×7 インチの平らなスライスに切断します。

ウェーハはオーブンで加熱され、リンの薄層が追加され、片面 (正のホウ素面の反対側) にマイナスの電荷が与えられます。 次に、反射防止コーティングがウェーハに追加されます。反射防止コーティングがないと、これらの光沢のあるディスクが太陽光を反射し、代わりに反射防止コーティングが吸収されるようにするためです。 この段階では、ウェーハは太陽のエネルギーを吸収して電子に変換できるようになります。 次に、これらの電子をデバイスが使用できる電流に変換できるように、銀の金属導体を追加する必要があります。

世界で最も導電性の高い元素である銀は、シリコン ウェーハ内の電子を遮断し、電流に変えます。 シリコンウェーハは導電性太陽電池を形成します。 通常、60 個または 72 個のセルを含む各ソーラー パネルには約 20 グラムの銀が使用されます。これはパネルの重量の一部ですが、総コストの約 10% に相当します。

銅の金属導体と配線が太陽電池を 1 つの大きな太陽電池パネルに接続し、古典的なマトリックスの外観を与えます。 銅は優れた導電体であり、展性が非常に高いため、パネルに電流を流す配線を形成するのに最適な材料です。

ザップ！ ソーラーパネルが出来上がりました。

これに、米国だけで毎年約 6,000 万倍になります。

そして、クリーンエネルギーと気候変動の目標を達成するには、太陽光発電がますます重要な役割を果たす必要があるため、そのスピードを加速します。

太陽光発電を実現するには、パネルの建設以外にも多くのことが必要ですが、責任を持ってソーラーパネルの製造と設置を加速することは、公正で持続可能な再生可能エネルギーの未来に向けた旅の重要なステップです。

ソーラーパネルのサプライチェーンについて詳しく知りたいですか? PV 材料の採掘と PV の製造を推進している国はどこですか? ソーラーパネルの修理および再利用業界は現在どうなっているのでしょうか? ソーラーパネルの材料をリサイクルし、廃棄物の少ない循環サプライチェーンを構築するにはどうすればよいでしょうか? 答えを見るにはリンクをクリックしてください。

ソーラーパネルの原材料の採掘: 問題と解決策

ソーラーパネルは再利用およびリサイクルする必要があります。 方法は次のとおりです

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タグ:製造、再生可能エネルギー、再生可能エネルギーのライフサイクル、太陽光、太陽光発電

著者について

チャーリー・ホフスは、マサチューセッツ州ケンブリッジで 2022 年の UCS サマー・シュナイダー・フェローを務めました。 彼女は 2022 年にスタンフォード大学で化学工学の学士号を取得し、現在スタンフォード大学で地域保健と予防研究の修士号を取得しています。 2020 年 4 月、彼女は米国の食料不安と闘うために若者を団結させ、力を与えるために活動する若者主導の組織 unBox を共同設立し、引き続き共同リーダーを務めています。

レイチェル・クリータス ポリシーディレクター

John Rogers エネルギーキャンペーン分析責任者

マリア・チャベス エネルギーアナリスト