砂からソーラーパネルまで: ソーラーパネル製造の過程を明らかにする

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2023年。世界は、より持続可能なエネルギー源への移行と化石燃料への依存の削減に努めています。その結果、再生可能エネルギーの普及がますます進んでいます。実際、国際会計事務所 BDO Global は、2024 年までに世界の電力のほぼ 33% が再生可能資源から生産されると予測しています。

特に太陽光発電は最も有望なクリーンエネルギーの選択肢の 1 つであり、その利用は世界中で急速に増加しています。一部の情報源は、太陽光発電が現在米国の新規発電容量の半分以上を占めていると報告している。

この文脈では、ソーラーパネルについてもっと詳しく知ることが重要です。それらに関する最も驚くべき事実の 1 つは、それらが実際には砂でできているということです。しかし、砂はどのようにしてソーラーパネルに変わるのでしょうか?

シリコン太陽光発電技術の背後にあるエンジニアリングについて知っておくべきことはすべてここにあります。

砂は、太陽光パネル製造の主な原材料の 1 つです。

他の原材料とは異なり、砂はごく普通のものであり、世界のほとんどの地域で広く入手可能です。ただし、無限ではありません。 CNBC によると、砂は水に次いで最も消費される天然資源であり、近いうちに砂が不足する可能性があります。

これは太陽光パネルの製造によるものではなく、建設部門での砂の需要が高いためです。結局のところ、砂はコンクリート製造の細骨材として使用されます。

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砂は、窓ガラスやスマートフォンの画面の主原料の 1 つであり、電話、コンピューター、その他の電子機器のシリコンチップの原料の 1 つでもあります。

砂には、これらすべての用途に適したいくつかの特性があります。

砂は粒子で構成されており、これらの粒子はセメント粒子の隙間を埋めることができるため、砂利と混合してコンクリートを製造します。砂はコンクリートに構造強度を与えます。

砂にはシリカが多く含まれているため、高温で溶解し、溶融ガラス材料が形成されます。冷却するとガラスは透明性を保ち、光を透過し、保護し、断熱することができます。

砂に由来するシリコンの結晶構造は、電流の流れを高度に制御できる独特の半導体特性を持っています。これがシリコンが電子デバイスに存在する理由です。これは、ダイオード、トランジスタ、回路の重要なコンポーネントです。

ただし、特に太陽光パネルの製造では、どんな砂でも使えるわけではありません。使用する砂には二酸化ケイ素の含有量が高くなければなりません。以下で説明するように、二酸化ケイ素は主要なケイ素源であり、ウェーハの製造に不可欠であるため、これは重要です。

ソーラーパネルを構築するには、砂鉱山や採石場などの自然堆積物からシリカを豊富に含む砂を抽出する必要があります。砂は多くの場合、結晶質シリカの一種である石英で構成されています。

砂は洗浄されて、粘土、有機物、その他の鉱物などの不純物が除去されます。その後、化学処理方法で精製されます。一般的な方法の 1 つは酸浸出です。この方法では、砂を硫酸などの酸性溶液と混合して不純物を溶解し、シリカを分離します。

その後、シリカは通常炉内で高温で加熱され、残留有機物質が除去され、高純度のシリカに変わります。

高純度のシリカは、多結晶シリコンとしても知られるポリシリコンの製造の鍵となります。この高純度のシリコンは太陽電池の原料として使用されます。

これを得るには、精製した珪砂を石炭や石油コークスなどの炭素が豊富な材料と混合します。その後、混合物を高温の塩素ガス流にさらして、トリクロロシラン (SiHCl3) を形成します。このプロセスは塩素化と呼ばれます。

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塩素化の結果として得られるトリクロロシランは、蒸留および精製技術によってさらに処理されます。蒸留工程では、トリクロロシランを加熱して成分に分離します。精製されたトリクロロシランは、水素ガス (H2) と反応して非常に高純度のシリコンに戻ります。このプロセスの結果、ポリシリコンが得られます。

ポリシリコンの製造には、太陽電池の最適な性能を達成するために必要な高純度レベルを確保するための厳格な品質保証措置が必要です。

ポリシリコンは、制御された条件下でるつぼまたは炉内で溶解されます。溶融したポリシリコンは、均一性と一貫性を確保するために注意深く高温に維持されます。

溶融したポリシリコンは、チョクラルスキー (CZ) 法として知られる結晶成長プロセスによって固化されます。通常、高純度シリコンの単結晶からなる種結晶を溶融したポリシリコンに浸し、回転させながらゆっくりと引き抜きます。種結晶が上昇すると、円筒形が形成され、溶融したポリシリコンが引き込まれます。この液体塊は、大粒の多結晶シリコンインゴットが形成されるまで、方向性凝固プロセスで冷却されます。

(あまり一般的ではないプロセスが使用されることもあります。これには、ガス状シリコン化合物を使用して、ウェーハの形状の結晶テンプレート上にシリコン原子の薄層を堆積することが含まれます。)

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次に、シリコンインゴットは、精密な鋸引き技術を使用して機械的にスライスされ、薄い円形のウェーハになります。これらのウェーハは通常、厚さが約 200 ～ 300 マイクロメートル、直径が 150 ～ 200 ミリメートルです。直径が 300 ミリメートル以上の大きなウェーハでは、さらに効率が高くなります。

スライスされたウェーハは、不純物、粗さ、欠陥を除去するためにいくつかの表面処理プロセスを経る必要があります。これには、ウェーハ表面の機械的損傷を除去するための化学エッチング、表面の平行度を向上させるためのラッピングマシンでのアルミナ砥粒による研磨、ウェーハの表面を滑らかで清浄にし、後続の処理に最適化するための洗浄が含まれます。

次に、洗浄および検査されたウェーハにリンやホウ素などの特定の材料がドープされ、異なる電気特性を持つさまざまな領域が作成されます。

ドーピング後、ウェーハは不動態化プロセスを経て効率が向上し、表面再結合が減少します。パッシベーションには、窒化シリコンや二酸化シリコンなどの絶縁材料の薄層をウェーハ表面に堆積して電子と正孔の再結合を最小限に抑え、太陽電池の全体的な性能を向上させることが含まれます。

シリコンインゴットから製造されたウェーハは、個々の太陽電池の構成要素として機能します。これらのウェハは、コンタクト、反射防止コーティング、その他の重要な層の適用、ガラスやポリマーの封止材による封止、積層などのさらなる加工を経て、完全に機能する太陽電池に変換されます。

完成したパネルには、フレーム、エッジシーラント、およびジャンクションボックスが含まれます。あるパネルから次のパネルに電流を運ぶ電気ケーブルも張られています。

これらの相互接続され、カプセル化され、組み立てられた太陽電池は完全な太陽電池モジュールまたはパネルを形成し、住宅やその他の建物に設置されます。