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太陽光電池って何?特徴や仕組みを徹底解説!

太陽光電池とはどのようなものかご存知ですか。太陽光発電に興味がある場合、太陽光電池について知っているといいでしょう。太陽光電池とソーラーパネルの違いを理解することも大切です。これから、太陽光電池について発電の仕組みや種類・今後の課題などをご説明します。太陽光発電に興味がある人は、参考にしてみてください。

太陽光電池ってどういうもの?

太陽光電池は「電池」という単語が付いていますが、電力を蓄える装置ではありません。太陽の光エネルギーを、直接電力にするための「発電機」の役割をしています。光エネルギーに変えるため、構造や材料を工夫した半導体素子の一つです。

太陽光電池が発電する仕組みとは?

“太陽光電池が発電するのは、「光起電力効果」「光電効果」と呼ぶ現象が関係しています。光が照射されると、太陽光電池を構成する半導体の電子は動き、電気が発生するのです。太陽光電池にはさまざまな種類があり、それぞれで発電効率が異なります。生産量の約8割を占めているのはシリコン系です。

シリコン系太陽光電池は、性質の異なる2種類の半導体を重ねあわせてできています。2種類とは、p型半導体とn型半導体です。太陽光電池に太陽の光エネルギーが当たると、正孔(+)と電子(-)ができます。その後、正孔はp型半導体、電子はn型半導体の方へ引き寄せられるのです。表面と裏面に電極がついた構造にすると、電流が流れます。”

太陽光電池の種類

“太陽光電池の種類の中に「結晶シリコン系」があります。「単結晶シリコン太陽光電池」は最も古くから使われていて、半導体製造プロセスを用いているものです。原料のシリコンを加工したものをスライスしたウエハーが、半導体基板になっています。結晶型はシリコンの原子が規則正しく並んでいることが特徴です。整列した結晶状態になることで、シリコンの能力を最大限に引き出します。変換効率は約20%と高く、性能や信頼性に優れていますが、シリコンを使う量が多いため高価になってしまうのが欠点です。

現在、一番多く使われている太陽光電池は「多結晶シリコン太陽光電池」になります。直径数mmの小さな単結晶が集まり、まだら模様になっているものです。単結晶シリコン太陽光電池に比べると、シリコンの量が少なくなっています。よって、低コストに抑えることが可能です。しかし、変換効率が約15%で単結晶型より性能は劣ります。多結晶シリコン太陽光電池は加工のしやすさが特徴で、大量生産もできます。

「薄膜シリコン」とは、薄いシリコン膜を使った太陽光電池の総称です。薄さは数μmで、シリコン使用量が少なくて済みます。結晶型に比べると、約1/100程度のシリコンしか使いません。低コストかつ軽量化したものを作れることが特徴です。薄膜シリコンは柔軟性のある基板や大型の基板にも使えるため、建材一体型太陽光電池にも応用できます。しかし、発電効力が低く、結晶シリコン型の半分程度しか発電できないことが今後の課題です。

「化合物系」の太陽光電池は、シリコンではなく複数の化合物を材料にしています。金属薄膜やガラスなどの基板に、真空蒸着などの薄膜プロセスで作るものです。変換効力は高く、影の影響も受けにくくなっています。組み合わせる材料によって、用途に合ったものを作れるのがメリットです。主流になっているのが、銅とインジウム・セレンなどを原料にした「CIS太陽光電池」になります。それにガリウムやテルル化カドミウムを加えるなど、さまざまな種類の太陽光電池を作ることができるのです。

「有機系」の太陽光電池は、簡単に製造できることが特徴です。実用化されているシリコンや化合物を使った太陽光電池は、高温や真空装置を用いることが必要で、製造プロセスが複雑になってしまいます。一方、有機系の太陽光電池は常温かつ常圧で作ることができ、有機半導体材料に塗布するだけなのです。製造プロセスが簡単なため、コストを低く抑えられるというメリットがあります。また、金属やプラスチックなどの薄い基板を使えば、軽量で柔軟性がある太陽光電池になるでしょう。有機系には、色素を吸着した二酸化チタンを電極ではさんだ「色素増感型」、有機物を含む半導体膜に塗布する「有機半導体」があります。

「革新型」の一つが「量子ドット太陽光電池」です。量子ドットと呼ばれる大きさが10nmぐらいの微小半導体粒子を使っています。半導体の内部に量子ドットを埋め込み、新たな帯域を作って幅広い太陽光を変換できるようにするのです。理論上では、最大変換効率はシリコン型よりも多くなりますが、まだ実用化されていません。「球状シリコン太陽電池」は、約1mmの球形をした結晶系シリコン太陽光電池です。低コストにするため、シリコンを溶かして使用量を減らしています。変換効率が高く、コストの大幅削減も期待できるものです。”

ハイブリッドの太陽光電池もある!

“太陽光電池の中には、ハイブリッドのものもあります。ハイブリッドとは異なる種類のものを組み合わせることです。有機質と無機質の2つをハイブリッドした「ペロブスカイト太陽電池」があります。ペロブスカイト太陽電池は、基板に材料を塗るだけなので、簡単に作れることが特徴です。また、基板を薄くすれば軽量になります。よって、低コストで製品化できると期待されているのです。曲面加工も可能で、さまざまな製品に埋め込んで太陽光電池として使えます。将来的には、家の壁や自動車に塗り、太陽光発電できる可能性もあるでしょう。

ペロブスカイト太陽電池は、多くの国で研究がされているものです。日本企業でも積極的に研究していて、モジュール変換効率は10%~12%を達成しています。今後もこの数値は伸びると予想されていて、需要が高まるでしょう。”

太陽光電池とソーラーパネルの違い

“太陽光発電で、太陽の光エネルギーを吸収する箇所を表す言葉として「セル」「モジュール」「アレイ」があります。それぞれには役割があり、全てを使って発電していることが特徴です。「セル」は一番小さい単位のことで、太陽光電池の基本単位になります。約0.2mm~0.4mmの薄いシリコン版ウエハーにPN接合をして、電極を付けたものです。電圧は約0.5V~0.6Vで、面積によって電流は変わります。例えば、125mm角では、約5アンペアぐらいの電流が発生するでしょう。

セルを板状につなげたものは、「モジュール」「パネル」と呼ばれます。これは、野外環境にも耐えられるように、必要枚数のセルを接続してから、強化ガラスやフィルム・樹脂などで覆ったものです。モジュールは、アルミの枠で強化しています。さらに、モジュールを複数枚使う時に、直列や並列に結線して、架台に設置したものが「アレイ」です。つまり、使用するための電力量を確保するためには、アレイにする必要があります。販売する時はモジュールやパネルの単位で行われますが、屋根などの屋外に設置したものはアレイになるのです。”

どんな場所で発電すれば良いの?

“太陽光電池で発電するには、日射量の多い場所に建てるのが基本です。日が当たりにくい場所に設置してしまうと、十分な効果を発揮できません。メガソーラー発電所などは、広いスペースが空いている土地に設置します。よって、広い土地があれば設置できるので、標高が高いところや雪が降る地域でも設置可能です。その場合は、設置角度を変えるなどして、よく日が当たるようにします。設置させるためには、送電線があることも条件です。発生した電気を送る送電線がないと、建設できないので注意しましょう。もし、広い土地があったとしても、送電線がない場合や送電容量があいていない時は、設置できません。

メガソーラーは広い土地に設置しますが、住宅の場合は屋根の上が一般的です。屋根の上だと、他の障害物に邪魔されることなく、太陽光を吸収できます。しかし、近くに高層マンションなど高い建物があると、時間帯によって太陽光を吸収しにくくなるので、注意が必要です。なるべく、日中は太陽光に当たる場所へ設置しないと、効率的に電気を発電できないでしょう。日射量を多くするためには、設置する角度を変えるなどの工夫が必要です。”

太陽光電池でどれくらい発電できる?

太陽光電池を1枚設置しただけでは、十分な発電量を確保できません。必要な発電量にするためには、モジュールをアレイにする必要があります。アレイにしないと、太陽光発電としては成り立たないでしょう。例えば、1枚で150wの出力があるモジュールを30枚設置したとします。その太陽光電池アレイからは、「150w×30枚」で4500wが得られると計算できるのです。住宅用太陽光電池システムを導入する場合、屋根の形状や大きさはそれぞれの家で異なります。よって、その家に合ったモジュールを組み合わせて、最適なアレイにすることが重要です。

日本での太陽光発電設備の導入状況

“太陽光発電の需要は増えていて、導入量も増加しています。2012年7月からは、固定価格で買取が始まったことで、太陽光発電市場が急速に拡大していきました。固定価格買取制度とはFIT制度とも呼ばれ、再生可能なエネルギーの普及を目的にしています。これは、再生可能エネルギーで発電したものを、一定期間中は同じ価格で電力会社が買い取る制度です。家庭用太陽光発電は10年間、事業用太陽光発電は20年など、決められた期間の買取金額は変わりません。もし、太陽光発電を導入したい場合は、発電できる量と自身で使う電力量・買取してもらう量と金額を計算し、シミュレーションすると分かりやすいでしょう。

日本の導入状況として、2013年度末までに、約8.7GWが導入されています。その中で、約74%は非住宅用のシステムです。GWのGは10億を表すギガで、Wは設備容量のワットを指します。2014年度の時点では、年間発電量の約2.2%が太陽光発電です。世界の太陽光発電状況は、累計では欧州がトップになっていますが、拡大率はアジアが高くなっています。つまり、日本を含めたアジア圏で太陽光発電の開発や普及が進んでいると言えるでしょう。”

太陽光発電設備普及のために克服すべき課題とは?

“太陽光発電の設備を普及させるためには、エネルギーの変換効率を向上させることが課題です。太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変える割合が向上し、エネルギー変換効率が上がると発生させられる電力を増やせます。また、太陽光電池の材料を確保することが課題です。例えば、主流になっているシリコン原料を安定的に確保できないと、太陽光電池を作れないでしょう。使用できる量の電気を発生させるためには、セルやモジュールなどの単位では意味がありません。多くのモジュールをつないでアレイにしないと、必要電力を発生できないため、十分な量のシリコン原料が必要です。

太陽光電池の製造技術を向上させることも課題になります。例えば、太陽光電池の構造や素材を開発して、シリコンウエハーの軽量や薄型化をしないといけないのです。また、耐久性も向上させなければなりません。太陽光電池は屋外に設置するため、雨や風・衝撃などに負けないものを作らなければならないのです。経年劣化がしにくい太陽光電池にしないと、多くの修理コストがかかってしまいます。よって、今後も製造技術を高めることは求められるでしょう。

導入コストの削減も、重要な課題です。現在の導入コストは、1kwあたり約20万~40万円になっています。太陽光発電のために組むローンなどもありますが、初期費用がかかることで導入が進んでいないのです。初期費用などの導入コストを減らせれば、導入を検討する人が増えます。そのためには、太陽光電池自体を作るコストを減らすという課題もあります。耐久性や加工のしやすさが優れていて、低コストで作れる太陽光電池の開発や研究は、今後も重要になるでしょう。

送配電系統の対策も必要です。多くの電力を流すためには、送電線の設置をしなければなりません。気象予測に基づく発電量予測などもして、必要な分の送電線を設置することが大切です。導入インセンティブを増進させることも必要でしょう。一般家庭や産業界の導入意欲を高めるためには、支援を政策的に進めるといいのです。”

まとめ

太陽光発電の仕組みを理解するためには、太陽光電池について知ることが大切です。太陽光電池をつなげたものがソーラーパネルであり、違いを理解しているといいでしょう。また、太陽光電池で必要な電力を発生させるためには、アレイにすることが重要です。モジュールやパネルなどの単位で販売されていますが、屋根などに設置したものはアレイになることを知っておきましょう。これを参考に、太陽光電池や太陽光発電の特徴や仕組みを把握し、導入を検討してみてください。

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