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太陽光発電には何が使われている?主な素材は?

環境に優しく、省エネにつながるということで太陽光発電は高い注目を集めています。実際、家庭用の太陽光発電システムの普及率は一貫して右肩上がりです。しかし、いざ導入を検討するとなると、気軽に決断というわけにはなかなかいきません。その前にいろいろなことを知っておきたいものです。たとえば、一体どのような素材が使われているのかといった点は気になるのではないでしょうか。そこで、太陽光発電システム導入の際の参考になるように、素材の種類や素材選びのポイントなどについて解説をしていきます。

太陽光発電の素材について知る必要性

“太陽光発電システムにおいて実際に発電を行っているのは太陽光パネルです。また、太陽光パネルに用いられている素材はすべて同じというわけではありません。商品によってさまざまな素材が用いられています。「よく分からないからどれでもいい」「どれでも似たようなものだろう」などという人がいるかもしれませんが、そういった考えは危険です。なぜなら、素材によって価格や性能にかなりの差があるからです。何も知らずに購入すると大きな損につながるおそれがあります。最悪の場合は悪質な業者に騙されることにもなりかねないのです。

いずれにせよ、素材について知らなければ、適切な太陽光発電は選べません。逆に、素材について知っていれば、悪質な業者に騙される可能性も低くなり、よりメリットの高いものを選ぶことが可能になります。つまり、太陽光発電システムの導入が成功するかどうかは、素材についての知識の有無によって大きく左右されるといっても過言ではないのです。”

太陽光発電に使われている素材って?

“太陽光パネルには半導体が使われています。半導体とは導体と絶縁体の中間の性質を持つ物質のことを指し、その種類もさまざまです。そして、太陽光パネルに使用されている半導体にもいくつかの種類があります。その中でも代表的な存在といえるのがシリコンです。太陽光パネルにシリコンを用いる場合、シリコン粒という鉱物状のものを原料として使います。まず、1400度以上の高温で溶かし、多結晶の塊にして切り出すのです。それをきれいに磨き上げ、カットしていきます。そして、切り分けられた固まりを薄くしてスライスしていくと太陽光パネルの部品になるというわけです。

しかし、太陽光パネルに用いられている素材はシリコンだけではありません。他の半導体が用いられている場合もありますし、開発中の素材も存在します。そのため、適切な選択をするためにも、具体的な素材の種類やそれぞれの性質について知っておく必要があるのです。”

【太陽光発電の素材の種類1】シリコン系

“太陽光発電において最も一般的な素材といえばシリコン系ですが、それらは単結晶シリコン・多結晶シリコン・微結晶シリコン(薄膜シリコン)の3タイプに分類することができます。まず単結晶シリコンとはセル全体が一つの結晶になっているものを指します。他の種類と比べて昔から広く使用されてきたという歴史があり、信頼度の高さは絶大です。それに、シリコン原子が規則正しく並んでおり、高純度であるため、20%前後という高い変換効率を誇っています。また、切れ目や割れ目がなく、見た目もきれいです。ただ、シリコンの使用量が多いので、価格が高めなのがデメリットだといえるでしょう。

一方、多結晶シリコンは小さなシリコン結晶の集合体です。太陽光発電導入のネックとなるコストの高さを抑えるために開発されました。実際、太陽電池を製造する過程で不良品として弾かれたシリコンなどでも再利用できるため、導入費用は安めです。その代わり、変換効率は15%程度と低くなります。加えて、表面にひびが入っていたり、まだら模様になっていたりする場合があり、見栄えという点でも劣ります。最後の微結晶シリコン(薄膜シリコン)というのはさらなる低コスト化を目指したシリコンです。モジュールの基盤にシリコンなどを含む原料ガラスを付着させることによって太陽光パネルをつくっていきます。さらに、ケイ素を主体として使用し、シリコン層を限りなく薄くしたアモルファスシリコンというものもあります。

いずれにしても、シリコンの使用量が少ないためにコストを大幅に抑えられるのが魅力です。その代わり、変換効率は10%以下とシリコン系の中では最も低めです。なお、太陽光パネルの中で最大のシェア率を誇るのは液晶タイプのシリコンであり、実に市場の約8割を占めています。これだけのシェア率になると、デザインや機能・価格なども多種多様です。そのため、選択の幅が広い点が大きなメリットだといえます。”

【太陽光発電の素材の種類2】化合物系

“化合物系というのは銅・インジウム・ガリウム・セレンを原料としてそれらの元素を組み合わせて生成された半導体のことを指します。その中でも、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)の3つを組み合わせたCIS太陽電池が特に有名です。ちなみに、発電の仕組みはシリコンと同じでpn接合によるものです。この半導体には安定した発電量を期待できるというメリットがあります。従来のシリコン系では太陽光による温度上昇で変換効率が悪くなるというデメリットがあったのですが、その欠点を補うために開発されたのが化合物系というわけです。

化合物系は高温になったり、影がかかったりしてもそれによって発電量が大きく落ち込むといったことはありません。しかも、発電層を薄い膜状の半導体にすることで、製造時の消費エネルギーや排出CO2を低く抑えられるという利点があるのです。また、太陽光エネルギーを非常に吸収しやすいという特徴をもっているため、太陽光電池をシリコン系よりも薄くすることも可能です。したがって、製造に必要な資源も少なくてすみます。量産化にも向いており、今後のコストダウンも大いに期待できます。

その一方で、シリコン系よりも変換効率が低いのが弱点です。多結晶シリコンタイプが15%程度なのに対して化合物系は9~14%程度といったところです。ただ、化合物系には高温や影に強いという特徴があるため、その性質をうまく活かせばデメリットをカバーできる可能性はあります。”

【太陽光発電の素材の種類3】有機系

“太陽光発電の素材にはシリコンや化合物などといった無機物を原料とせず、有機物を素材にしたものも存在します。有機薄膜太陽電池と色素増感型太陽電池というのがそれで、次世代型太陽光発電システムの本命の一つといわれています。ただ、クリアすべき問題も多く、本格的に実用化されるまでにはまだ時間がかかりそうです。それでは具体的にどのようなものかというと、有機薄膜太陽電池の方は有機半導体のpn接合を利用して発電を行います。それに対して、色素増感型太陽電池は植物の光合成と似た仕組みで電力を生産しているのです。

両者の発電方法は全く異なるものの、素材が同じ有機物というだけあって共通する特徴をいくつか有しています。まず、両者とも太陽光パネルが薄くて非常に軽いという点が挙げられます。その上、自由に曲げることもできますし、パネルを着色することも可能です。それになんといっても、製造コストが極めて安いのは見逃せないポイントだといえるでしょう。一方で、デメリットとして挙げられるのが変換効率の低さと寿命が短いという点です。とはいっても、有機系素材による発電は研究が始まって日が浅いため、改善の可能性は大いにあるといえます。

次に、有機系素材独自の特徴ですが、なんといってもインク状の半導体を塗りつけて使用できる点が魅力です。そのため、パネル状のものだけでなく、さまざまな形状の太陽光パネルをつくることができます。たとえば、収納可能な折り曲げ式パネルなどといったものも作成可能になるわけです。それに対して、色素増感型太陽電池はより低コストでの製造が見込まれています。このようにそれぞれ異なるメリットを有しているため、実用化された際にはケースバイケースで両者を使い分けることになると考えられています。”

【太陽光発電の素材の種類4】量子ドット

“将来性に大きな期待を持たれているものに量子ドット太陽電池があります。量子効果を利用して性能向上を図る技術であり、理論上は75%の変換効率を実現できるとしています。そもそも、量子ドットとはなにかというと、直径10nmの微小な結晶です。それを利用してこれまで吸収不可能だった波長や高エネルギーの光を有効活用することで変換効率を高めようというわけです。ただ、そのためにはナノサイズの微小加工が必須となります。具体的な方法としてはタンデム方式や中間バンド方式などが提案されています。

前者は量子ドットの寸法を少しずつ変えながら積層構造を構築し、幅広い波長を吸収しようというものです。それに対して、後者は量子ドットを電子的に結合させる際に生じる中間バンドを活用することで幅広い波長の光を吸収できるとしています。いずれにしても、量子ドット太陽電池は製品化されているわけではありません。基礎研究の段階であり、現状では変換効率の向上実験などが行われています。”

パネルの素材の種類による違い

“太陽光パネルの素材にはシリコン系、化合物系、有機系、量子ドットなどがあります。そして、互いを比較した場合、それぞれ大きく異なるのがモジュール変換効率です。これらの中で現状で最も変換効率が高いのがシリコン系です。ただ、同じシリコン系であってもそのタイプによって変換効率は異なってきます。たとえば、単結晶の場合は最大20%の変換効率が期待できますが、多結晶の場合は15%程度です。また、微結晶シリコン(薄膜シリコン)になると変換効率は10%以下にまで落ちることになります。一方、化合物系は具体的にどの元素を組み合わせるかによっても変わってきますが、概ね9~14%といったところです。

さらに、実用化の有無で種類による違いを分けることもできます。まず、すでに実用化されているのがシリコン系と化合系です。それに対して、有機系・量子ドットは未だ研究段階です。その代わり、実用化に成功した場合にはより大きなメリットを享受すると予想されています。有機系は従来のものと比べ、大幅な軽量化とコストダウンが、量子ドットは最大で75%の変換効率が期待できるといった具合です。”

他に使われている素材は?

太陽光発電において発電の機能を担っているのは太陽電池モジュールですが、それはシリコン系や化合物系の素材だけでできているわけではありません。実際にはそれ以外にもさまざまな成分が含まれているのです。その中でも主成分といえるのがガラスであり、全体の約8割を占めています。他にも、アルミニウム、プラスチック、金属が含まれており、金属の含有成分として鉛、銅、すず、銀、アンチモンなどが挙げられます。その他にも、微量に含まれる場合があるのが、セレン、カドミウム、ヒ素などといったものです。さらに、希少金属としてはインジウム、テルルなどが含まれているケースもあります。

太陽光発電の素材選びのポイント

“単結晶シリコンや多結晶シリコン、あるいは化合物系などといった具合に、シリコンの素材にはさまざまな種類があります。そのため、どれにすればよいのかと迷ってしまいがちです。そういう場合には大きく2つのポイントに分けて考えるのがよいでしょう。そのポイントとは何かというと、「発電量や変換効率が良いものはどれなのか」「安いのはどれか」の2点です。もし、前者を重視するのであれば、単結晶シリコンは有力な候補となるでしょう。

逆に、価格をなるべく抑えたいという場合はシリコン系の中で最も低価格での設置が期待できる微結晶シリコン(薄膜シリコン)を選択するのがよいかもしれません。また、変換効率とコストのバランスで考えるのなら、多結晶シリコンを選ぶのも一つの手です。ただ、その際に、忘れてはならないのが、素材は太陽発電を設置する場所に合ったものにしなければならないという点です。

たとえば、屋根の形状が特殊でパネルを設置できるスペースがかなり小さかったとしましょう。それなのに、安いからといって変換効率の低い素材のパネルを選んでしまうと、設置できる枚数が限られてしまうので十分な電力を得られないということになってしまいます。したがって、設置可能な面積を割り出し、その上でどのぐらいの発電量を期待できるのかをそれぞれの素材で計算してみることが大切です。あるいは、日差しの強い場所や日照時間の短い場所に設置しなくてはならない場合、シリコンでは変換効率が大きくダウンしてしまうおそれがあります。一方、化合物系なら最大値は低くても、安定した発電量が期待できます。

このように、自分の希望する発電量と実際の予算を秤にかけ、そこに設置場所の環境を加味して検討していけば、候補となる素材はおのずと絞れてくるはずです。”

まとめ

太陽光発電の発電量や変換効率は選択するパネルの素材によって大きく変わってきます。また、高温や日陰といった悪環境下でどれだけ電力が得られるかといった問題も素材選びに大きく関係してきます。それを知らずに導入すると、想定よりかなり低い電力しか得られなかったということにもなりかねません。したがって、まずは素材ごとの特徴をよく理解し、その上で、用途や希望に合わせて最適なものを選ぶようにしていきましょう。

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