なぜ太陽電池パネルは青または黒なのか — シリコンとコーティング

簡単な回答： 太陽電池パネルが青や黒に見えるのは、シリコンの結晶構造とその上に施された反射防止コーティングという2つの理由によります。結晶シリコンは入射光の大部分を反射し、裸の研磨ウェーハではおよそ22%に達しますが、表面にエッチングされたテクスチャとSiNxコーティングによってその反射は約4%まで低減され、ガラスに入射した光の約96%がセルに到達します。残る色は、吸収も透過もされなかった光です。多結晶シリコンには目に見える粒界があり、単結晶とは異なる散乱を生じるため、両者が異なる青の濃淡に見えるのです。また、オールブラックのモジュールは通常、純粋に見た目の選択ではなく、特定のセルタイプとコーティングスタックを示しています。したがって、色はセル技術のおおよその指標となります。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

製品紹介

晴れた日を想像してみてください。

あなたは屋根の端に立ち、太陽の下で静かに並んでいるソーラーパネルの列を眺めています。太陽光自体は白いのに、それらのパネルは白くもなく、金色でもなく、透明でもありません。

それらのほとんどは青です。または黒です。

そしてここで、ごく自然な疑問が浮かびます。ソーラーパネルが太陽光を捉えるために存在するなら、なぜそんなに暗く見えるのでしょうか？私たちの直感では、白が最も明るく、銀が最も輝き、金が最も太陽に似ていると言います。しかし、実際に電気を生成するパネルは、青黒いガラスの板のように見えます。

のサプライヤーとして、 ソーラーパネル製造機 およびソーラーパネル生産ラインのターンキーソリューションを提供するOoitechは、オールブラックモジュール用の生産ラインを提供できます。

これは実際には美観の問題ではありません。人間と太陽光の間で数十年にわたるエンジニアリング上の交渉です。

青色多結晶シリコン対黒色単結晶シリコン

キャプション：ソーラーパネルの青と黒は単純な塗料ではありません。それは結晶構造、反射防止膜、光吸収効率の複合的な結果です。

簡単な日常体験から始めましょう。夏の太陽の下で黒を着ると暑く感じます。白を着ると涼しく感じます。白い服は多くの光を反射します。黒い服はより多くの光を吸収します。

ソーラーパネルも同じように機能します。ほとんどの物体では、美しい輝きは見栄えが良いです。ソーラーパネルにとって、反射は無駄です。太陽光のビームがパネルに当たり、空に跳ね返ると、それは電気にはなりません。シリコン内部に入る光だけが、電子を励起し、電流を形成する可能性があります。米国エネルギー省も明確に述べています：シリコン層が光を吸収し、電子が励起され、それらが移動するにつれて電流を生成します。

ですから、最初からソーラーパネルは白くなりたくありません。白は「太陽光が来て、私はそれを空に返した」と言います。青黒は「太陽光が来て、私はできるだけ多くを保持している」と言います。

技術パラメータ

なぜ多くの古いパネルは青いのか？

これは過去の非常に一般的なタイプのパネル、多結晶シリコンにさかのぼります。

多結晶シリコンは一つの完全な結晶ではありません。多くの小さな粒が集まってできています。ひび割れた氷の模様でいっぱいの凍った湖の表面を想像してみてください。それぞれの粒はわずかに異なる方向を向いています。それに当たる太陽光はどこでも少しずつ異なる反射をします。だからポリパネルはしばしば青や濃い青に見え、表面にはかすかなひび割れ、氷の割れ目、金属的な質感が現れます。

つまりポリシリコンの青は塗料ではありません。それはむしろ、太陽の下で見えるシリコン結晶の質感のようなものです。

しかし、その青は結晶だけから来るものではありません。パネル表面には反射防止コーティングと呼ばれる非常に薄い層があります。この用語は技術的に聞こえますが、理解するのは簡単です。眼鏡をかけると、一部のレンズにはかすかな青紫や緑の反射があります（今見ているスマートフォンの画面も同じです）。その膜は装飾ではありません。反射を減らし、より多くの光がレンズを通るようにします。

パネルも同じです。シリコンはそれ自体かなり反射性があります。何も処理しなければ、太陽光の一部はウェハ表面から直接跳ね返ってしまいます。そこでエンジニアはウェハにテクスチャを施し、反射防止コーティングを堆積させて、より多くの光がシリコンに入るようにします。DOEが結晶シリコンモジュールの製造について説明する際、セルの前面に反射防止コーティングを堆積させることはセル生産工程の一つとして挙げられています。

ウェハ表面の走査電子顕微鏡画像

キャプション：顕微鏡下では、ウェハ表面は滑らかな平面ではなく、微小なピラミッドの密集した場です。このテクスチャが反射を減らし、より多くの太陽光をウェハ内部に閉じ込めます。

反射防止コーティングは、穏やかな入口のようなものだと考えられます。空気とシリコンの光学的な差が急すぎると、光は反射しやすくなります。その間に遷移層があれば、光はウェハーにより入り込みやすくなります。NRELのブラックシリコン材料には、この理屈にうまく当てはまる一節があります。反射が少なければ吸収が増え、それは効率の向上と発電量の増加を意味します。標準的なテクスチャリングと反射防止層でも、セルはすでに太陽光の約93%～97%を吸収できますが、ブラックシリコンプロセスではウェハーが入射光の98%以上を吸収できるため、黒く見えるのです。これは一つのことを明確に示しています。パネルの効率を高めたいほど、反射に回せる光は少なくなるということです。

青は、初期のポリシリコンとその反射防止膜が放つ、わずかな残り光です。黒は、シリコンが光を食べることを覚えた後の姿です。

技術的優位性

その後、黒いパネルはますます一般的になりました

その背後には、もう一人の主役がいます。単結晶シリコンです。

モノシリコンは、一つの均一な方向と整った構造を持つ、単一のブロックのようなものです。ポリシリコンのような割れた質感を持たないため、その表面はより均一で、深みがあり、黒に近く見えます。

ポリシリコンが青い割れ氷の板のようなものなら、モノシリコンは黒曜石の一片のようなものです。

現在、多くの住宅の屋根ではオールブラックモジュールが好まれています。遠くから見ると、工業部品の格子には見えません。むしろ、黒いガラスが整然と並べられているように見えます。DOEのデータによると、2022年までに単結晶シリコンは世界の太陽電池モジュール出荷量の96%を占め、今日のモジュールで最も一般的な吸収材料となっており、工業生産されたモジュールは通常、実使用で約20%～22%の効率に達します。

つまり、黒は単に高級に見えるためのものではありません。その背後には、より均一な結晶、より成熟した製造、より低い反射、そしてより効率的な光吸収の道筋があります。

• 単結晶シリコンによる、より均一な結晶構造

• 表面反射が低く、より多くの光を内部に閉じ込める

• ブラックシリコンで最大98%以上という高い吸収率

• 現代の屋根で好まれる、よりクリーンなオールブラックの外観

• 大量導入に適した、成熟した低コストの製造

製品アプリケーション

太陽光発電の歴史に戻る

1954年、ベル研究所は初の実用的なシリコン太陽電池を発表しました。その効率はわずか約6%でした。今日の基準では6%は低く思えますが、当時は小さなおもちゃを回すのに十分で、人々が初めて、太陽光は洗濯物を乾かしたり肌を温めたりする以上のことができると信じるのに十分でした。それは直接電気に変えることができました。アメリカ物理学会もこの歴史を記録しています。ベル研究所は1954年4月25日に初の実用的なシリコン太陽電池を実演し、初期のシリコン電池は約6%の効率でした。

1954年のベル研究所の太陽電池の歴史的な写真

キャプション: 初期のシリコン太陽電池はそれほど効率的ではありませんでしたが、現代の太陽光発電への扉を開きました。

それはまるで始まりのようでした。最も初期の電池は高価で小さく、実験室から来た未来のおもちゃのように感じられました。その後、それらは宇宙へ行きました。衛星は石炭を運べず、毎日電池を交換することもできないため、太陽電池はその最良のエネルギー源となりました。その後、ウェハーはより薄くスライスされ、プロセスは成熟し、コストは下がりました。かつては実験室と宇宙船だけのものだったそれらの青黒い薄片は、ゆっくりと砂漠、工場、学校、カーポート、そして普通の屋根に広がっていきました。

その過程で色も変わりました。初期の一般的な青色の多結晶シリコンから、現在ますます一般的になっている黒色の単結晶シリコンへと、それは単により深い色合いに見えるだけかもしれません。しかしその背後では、サプライチェーン全体が前進していました。

反射が少ない。吸収が多い。効率が高い。コストが低い。大規模展開に適している。そして色はどんどん暗くなっていきました。

現代の屋根の上の黒いモジュール

キャプション: 現代の住宅では、黒またはオールブラックのモジュールがますます使用されています。それらはより整然と見え、単結晶シリコンと低反射設計の成熟を反映しています。

パネルは赤、緑、金色にできますか？

もちろんできます。

建材一体型太陽光発電にはすでに多くの色付きモジュールがあります。都市の建物は必ずしも黒いガラスの壁を望まないため、エンジニアは特殊なコーティング、テクスチャ、封止材を使用して、パネルを灰色、れんが赤、緑、さらには普通のカーテンウォールの色調に近づけます。

しかし代償は直接です。赤く見えるのは、一部の赤い光をあなたに反射しているからです。緑に見えるのは、一部の緑の光を反射しているからです。そして反射された光は決してセルに入って発電しません。つまり、収入の損失と発電効率の低下を意味します。色付きPVは不可能ではありません。ただ、見た目と効率の間の新たな交渉が必要なだけです。

より美しい色がより良いパネルになるわけではありません。成熟したエンジニアリング設計は、しばしば最も派手な選択肢ではなく、長期的に最も信頼性が高く、最も効率的で、最もコスト効率の良いものに落ち着きます。

お問い合わせとご購入

では、屋根の上のあの青黒い部分をもう一度見てください

太陽光パネルがたまたまこのように見えるわけではありません。それはシリコン材料、結晶構造、反射防止膜、製造コスト、発電効率が共にふるいにかけて導き出した結果です。

青は装飾ではありません。黒は趣味ではありません。

それはパネルが、太陽光を空に返したくないとあなたに伝えているのです。光を保持し、電子を目覚めさせ、目に見えない光子を目に見える電流に変えたいのです。太陽は雲を通り抜けて、あの静かな青黒い表面に降り注ぎます。轟音も、煙突も、炎もありません。ただ光がシリコンに入り、電子が動き始め、電流が細い金属の指に沿って遠くへ流れていきます。

その瞬間、太陽光パネルは太陽によってびっしりと書き込まれた黒いページのようです。そして人間がそこから読み取るのは、素朴で小さな答えです。

もう少し多くの太陽光を捕まえるために、シリコンは青黒い装いを身にまといました。

Ooitechの見解

青いポリからオールブラックのモノへの移行は、単なる色のトレンドではなく、反射を限りなくゼロに近づける製造の物語です。モジュール側では私たちは毎日それを見ています。均一なモノセル、緻密なテクスチャリング、きれいなラミネーションが、オールブラックパネルをシャープに見せながら性能も維持する鍵です。これらの黒いモジュールが実際のラインでどのように作られるかを見たいなら、私たちのYouTubeチャンネルは www.youtube.com/ooitech で工場の現場を間近で紹介しています。太陽光製造が好きな方なら、チャンネル登録する価値があります。