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浜辺に座ると、見る青い空、感じる暖かさ、聞こえる波はすべて、日光のエネルギーの源です。太陽電池は、日光のエネルギーを楽しい休暇以外の何かに変換する方法です。太陽電池は、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換します。太陽電池の効率は、それが発生する太陽エネルギーの量に対する、生成する電気エネルギーの量の比率です。
効率
プロセスの効率は、プロセスがどれだけうまく機能しているかの尺度です。つまり、出力を得るためにどれだけの労力を費やす必要があるかです。効率を定量化するのが難しい場合もありますが、太陽電池の場合は比較的簡単です。太陽電池への入力は太陽光であり、出力は電気です。より具体的には、入力は太陽光からのエネルギーであり、出力は電子のエネルギーです。
光子と光
基本的なレベルでは、光は光子と呼ばれる小さなエネルギーのパケットで構成されています。日中はいつでも、数十億の光子が太陽電池と相互作用します。これらの光子は、色に応じて異なる量のエネルギーを運びます。一部の光子は太陽電池で反射し、一部は通過し、一部は吸収されます。与えられた光子の運命は、そのエネルギー、または同等に、その色に依存します。特定の光子の挙動を確実に予測することは不可能ですが、相互作用の確率を計算することは可能です。
光吸収
太陽電池の大部分は半導体で作られています。半導体の特徴の1つは、「バンドギャップ」と呼ばれるエネルギー構造です。バンドギャップの低い側の電子は所定の位置に閉じ込められますが、バンドギャップの高い側にエネルギーをブーストする電子は自由に移動できます-半導体から完全に自由に移動し、電気回路で有用になることを含む。太陽電池のバンドギャップのサイズに近いエネルギーを運ぶ光子は、吸収される可能性が最も高くなります。効率を計算するには、すべての光子のエネルギーに、吸収される確率と、太陽電池から電気回路になる確率を掛ける必要があります。それはかなり複雑な計算です。
測定
最初の原則から効率を計算するのは面倒ですが、適切な測定ツールがあれば、より簡単に計算を行うことができます。放射計を使用すると、日光のパワー密度を測定できます。電力密度に太陽電池の面積を掛けると、太陽電池に入射する太陽エネルギーの測定値が得られます。可変抵抗器、電流センサー、電圧センサーを備えた回路を取り付けることにより、次のステップを踏みます。電力は電流と電圧の積であり、太陽電池が駆動している負荷の量に応じて変化します。したがって、各ステップで電力を計算して抵抗を変化させ、最大電力点を見つけます。最大電力出力を太陽エネルギー入力で割ると、太陽電池の効率が得られます。