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アモルファスシリコンの太陽電池の特徴!メリット・デメリットは?

アモルファスシリコンの太陽電池というものがあるのですが、どのような太陽電池なのか、いまひとつよく分からないという方も多くいるでしょう。ここでは、アモルファスシリコンの太陽電池とは、どのようなものなのかを紹介していきます。メリットとデメリットについて解説するので、アモルファスシリコンの太陽電池の特徴を知りたい方はチェックしてみて下さい。

アモルファスシリコン太陽電池って何?

“アモルファスシリコン太陽電池とは何なのかという疑問についてですが、そもそもアモルファスシリコンとは、非晶質シリコンのことを指しています。そして、その非晶質シリコンでできた太陽電池を「アモルファスシリコン太陽電池」と呼ぶのです。アモルファスシリコンは、規則正しい結晶構造を持っていないため、機械強度・耐摩耗性・電気特性があるのが特徴となっています。アモルファスシリコン太陽電池は、グロー放電や、反応性スパッタリングなどを用いて作られたアモルファスシリコンの薄膜に、少量のリンを添加することで製造されています。

ちなみに、シリコン系太陽電池の種類としては、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池のような結晶系シリコン太陽電池というものもあります。単結晶シリコンとは、珪石と呼ばれる原材料から金属シリコンを溶鉱炉で溶かすことで製造されています。そして、このようにして製造されたシリコン結晶を切って、ウェハーと呼ばれる形状に整えます。その後、ウェハーの端を切り取り、八角形の太陽電池セルを並べて単結晶シリコン太陽電池が作られるのです。また、多結晶シリコン太陽電池は、単結晶シリコン型を製造する過程で発生したシリコンの残りやパソコン用のIC端材を熱で溶かし、型に入れて固めることで製造されます。

結晶系シリコン太陽電池とアモルファスシリコン太陽電池では、シリコンの結晶構造や太陽電池としての構造も異なっています。太陽電池としての構造としては、結晶系シリコン太陽電池がn型半導体とp型半導体が貼り合わさっている「pn接合型太陽電池」になっています。一方のアモルファスシリコン太陽電池は「pin接合型太陽電池」といい、p型半導体とn型半導体の間に真性半導体が挟まれているPIN接合となっているのです。この構造により、変換効率を高められると期待されています。アモルファスシリコン太陽電池は、単結晶シリコン太陽電池の欠点と言われているコストの高さを解決するために研究が続けられている太陽電池なのです。アモルファスシリコンは薄いため、建物の外観を損なわないことや、ガラスならではの反射も起こらないので、太陽電池を設置することに伴う外観を気にしている方でも利用することができるでしょう。”

【アモルファスシリコンのメリット1】光を多く吸収できる

“アモルファスシリコン太陽電池のメリットとしては、まず、光を多く吸収できるという点を挙げることができます。アモルファスシリコン太陽電池では、結晶型の太陽電池モジュールよりも光を多く吸収できるのです。これは、アモルファスシリコンは結晶型の太陽電池モジュールの場合、発電するために数百μmの厚さが必要なのに対して、アモルファスシリコン太陽電池では、1μm以下の薄い膜厚でも発電することが可能であるという特徴があるからです。

アモルファスシリコン太陽電池は、不規則な原子配列になっていて、シリコン原子の隙間に、不規則的に水素などの不純物が混入しているため、原子同士の距離が異なっている構造をしています。このような構造では、太陽の光を受けても効率よく発電することは難しいのです。しかし、I型シリコン(真性半導体)を挟むPIN接合の形態にすることで、発電の無駄を極力抑えるシステムになっています。また、アモルファスシリコン太陽電池は、温度変化にも強いので、冬のような日差しが夏より少ない場合でも、安定した発電を期待することができます。”

【アモルファスシリコンのメリット2】製造コストが安い

“また、製造コストが安いという点もアモルファスシリコン太陽電池のメリットとして挙げることができます。結晶系シリコンの場合は、約1420度という高温でシリコンを溶解するという、手間のかかる作業が必要になります。しかし、アモルファスシリコンは太陽電池の基材となるガラス板などにシランガスという原料を直接吹き付け、ミクロン単位の膜として形成することで製造できるのです。

このように、アモルファスシリコンは結晶型モジュールよりも簡単に製造ができる上、薄膜化によって材料の使用量も少ないので、結晶型モジュールよりも製造コストがかからないということができます。具体的には、アモルファスシリコン太陽電池は、結晶系シリコン太陽電池の1/10~1/100の厚さで良いので、原材料にかかるコストも抑えることができるのです。このように、アモルファスシリコン太陽電池は、簡単に製造し、大量生産することもできるので、その分、安く販売することも可能であるといえるでしょう。”

【アモルファスシリコンのメリット3】加工がしやすい

さらに、アモルファスシリコンのメリットとしては、加工がしやすいという点も挙げることができます。アモルファスシリコンでは、シランガスの吹き付けによる製膜工程が200度以下であれば可能であるという条件のみでおこなえるので、プラスチックなどの柔軟な素材の上にも半導体を作り出すことができるのです。なお、ガラスやステンレスなどにアモルファスシリコンのフィルムを張り付けるだけで発電が可能になるので、結晶系シリコンよりも手軽に発電することも可能になっています。また、アモルファスシリコンの特徴として、加工性に優れているという点があり、自由に曲げることもできるので、さまざまな形状の太陽電池が作れます。どんな形をしている屋根でも大丈夫です。さまざまな家に採用される太陽電池の種類ということができるでしょう。

【アモルファスシリコンのメリット4】電圧を自由に調節可能

“アモルファスシリコンの4つ目のメリットとしては、高い温度下でも安定して発電できるほか、電圧を自由に調節することが可能であるということを挙げることができます。高い温度下でも安定して発電できるというのは、アモルファスシリコン太陽電池が、結晶系シリコン太陽電池よりも温度上昇時の出力低下が小さいということに関係しています。具体的には、モジュール温度が1度上昇した際の相対的な出力の低下率は約0.25%程度にとどまっているという調査結果を見ることでも分かるでしょう。夏になると、太陽電池の表面温度が70度以上に達することもあります。このように表面温度が高くなると、結晶系シリコン太陽電池では出力低下が約20%になってしまいます。しかし、アモルファスシリコン太陽電池では、約11%にまでとどめることが可能になっているのです。

また、パワーコンディショナーとの相性が良いということもメリットとなっています。パワーコンディショナーとは、太陽電池モジュールで発電した直流の電気エネルギーを、交流の電気エネルギーに変換するための機器のことを指します。太陽電池によって発電したエネルギーは、直流のままでは、電気として使うことはできず、交流に変換することで使用することが可能になるので、そのための機器ということができるでしょう。なお、パワーコンディショナーには電気エネルギーの電圧を一定に保つ役割もあります。

太陽電池で作られる電気エネルギーは、常に変動しているほか、接続箱に集められた電気エネルギーの電圧も一定ではないのです。そのため、パワーコンディショナーを使って住宅内で使用できる電圧に変更、かつ、一定して供給できるようにしています。さらに、パワーコンディショナーは自立運転機能があるので、電力会社からの電気系統とは異なる電気エネルギーを住宅内に供給することが可能になっています。そのため、停電の際にも電気を使うことができるのです。

パワーコンディショナーには、住宅用と産業用の2種類があります。住宅用では、10kWまで対応できます。また、屋内でも設置できるように静音制御機能がついているものもあるのです。一方の、産業用のパワーコンディショナーは、500kWまで対応できるなど、住宅用のパワーコンディショナーと比べても、容量の多い仕様になっています。産業用のパワーコンディショナーの中には、屋根と外壁がセットになった商品もあり、屋外設置にも対応可能になっていることが分かるでしょう。”

【アモルファスシリコンのデメリット1】変換効率は低い

メリットが多いアモルファスシリコン太陽電池ですが、一方のデメリットとしては、変換効率が低いということがあります。変換効率が低いのは、水素(H)などの不純物がシリコン原子(Si)の隙間に不規則的に混入しており、それぞれの原子間の距離が不規則な構造になっているためです。そのため、多結晶シリコン型の太陽電池モジュールが12~16%程度であるのに対し、アモルファスシリコン太陽電池では9%程度となっています。そのような問題を解消するために、「微結晶タンデム型アモルファスシリコン太陽電池」という太陽電池が開発されているのです。しかし、多層化することによる変換効率の向上が研究されてはいるものの、変換効率は10%程度となっているので、微結晶シリコン層と組み合わせても多結晶シリコン型には劣ってしまいます。

【アモルファスシリコンのデメリット2】初期劣化がある

さらに、アモルファスシリコン太陽電池には初期劣化があるというデメリットも存在しています。アモルファスシリコンは、直射日光など、強い光にあてることで内部の水素結合が切れることがあるのです。このように、水素結合が切れることによって出力は低下してしまいます。この光劣化現象のことは初期劣化や、発見者にちなんだステブラー・ロンスキー効果と呼ばれています。この初期劣化により、出力は一定期間低下しますが、初期の頃から10%程度出力が低下したところで安定する仕組みになっているのです。

アモルファスシリコンの利用に適したケース

アモルファスシリコンの利用に適したケースとしては、屋根が一般的な太陽光発電システムが利用できない形状である場合や、初期費用コストを抑えたい場合を挙げることができます。アモルファスシリコン太陽電池は、加工性に優れているという特徴があるため、設計次第でさまざまな形状に対応することができます。そのため、屋根だけではなく、窓やガレージなど、本来の太陽光発電システムを設置することはできないといわれているところでも活用することが可能です。初期費用コストに関しては、アモルファスシリコン太陽電池は、結晶系シリコン太陽電池に比べて、簡単に製造することができるほか、薄膜化によって材料の使用量も少ないという特徴もあるので、製造コストを低くすることができるのです。そのため、設置にかかる費用も結晶系シリコン太陽電池を設置するのに比べて安くすることが可能になっています。

アモルファスシリコン利用時の対策

“アモルファスシリコン太陽電池を利用する際には、メンテナンスを徹底するように気を付けて下さい。直射日光などの強い光をあてると、アモルファスシリコン内部の水素結合が切れてしまうことから、出力が弱くなる初期劣化が起こることもありますが、日々のメンテナンスをきちんとおこなうことで、アモルファスシリコン太陽電池の長所を生かすことができるでしょう。また、保証が充実している業者に依頼をするということも重要なポイントになります。

初期劣化のほかにも、アモルファスシリコン太陽電池を利用していく上で、問題が起きてしまう可能性もあるでしょう。なるべく保証制度がしっかりしている業者に依頼しておくことで、不測の事態が起こった時でも対応してもらうことができるのです。屋根だけでなく、さまざまな場所に設置することができたり、製造過程の簡単さから初期費用も安く抑えることができる点が魅力のアモルファスシリコン太陽電池ですが、利用するためには、このように、メンテナンスや保証が充実している業者を選ぶなど、万が一の時に備えた対策をしておくことが良いでしょう。”

まとめ

アモルファスシリコン太陽電池は、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池の結晶系シリコン太陽電池と比べて、初期劣化や変換効率が低いというデメリットがあります。しかし、コストが安いという点や、高い温度下でも安定して発電できること、電圧を自由に調整できるなど、安定性の面でさまざまなメリットがあるので、導入を検討してみるのが良いでしょう。導入をする際には、ここで紹介したメリットとデメリットをきちんと理解して、利用時の対策もおこなうようにして下さい。特に、太陽光発電を設置することはできないと言われている住宅でも、アモルファスシリコン太陽電池は設置することが可能なので、そのような住宅に住んでいる方も検討してみて下さい。

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