SUN ROAD基礎編


太陽電池とその歴史

  太陽電池(Solar cell)は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器です。一般的な一次電池や二次電池のように電力を蓄えるのではなく、光起電力効果により、受けた光を即時に電力に変換して出力します。主流のシリコン太陽電池の他、様々な化合物半導体などを素材にしたものが実用化されています。色素増感型(有機太陽電池)と呼ばれる太陽電池も研究されています。太陽電池(セル)を複数枚直並列接続して必要な電圧と電流を得られるようにしたパネル状の製品単体は太陽電池パネル又は太陽電池モジュールと呼ばれ、モジュールをさらに複数直並列接続して必要となる電力が得られるように設置したものは太陽電池アレイとなり、ソーラパネルと呼ばれたりしています。
  太陽電池の基本原理そのものは1839年フランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルによって発見されていた。実際に発電が可能となったのは1884年アメリカの発明家Charles Frittsによる、半導体性のセレンと極めて薄い金の膜とを接合したものでしたが、変換効率は僅か1% ほどでセレン光電池として1960年代までカメラの露出計などに広く応用されていました。太陽電池の先駆けは米国のベル研究所にて開発された単結晶シリコン型太陽電池で、1954年にM.B.Princeによって論文が発表されています。当時は Bell Solar Battery と呼ばれ、太陽光のエネルギーを電力に変換する効率は6% でしたが、当初は宇宙用が主な用途で、世界最初の人工衛星スプートニク1号用が21日の寿命しかなかったのに対し、太陽電池を用いた最初の人工衛星ヴァンガード1号)は6年以上動作し、その有用性を示しました。その後無人灯台など徐々に用途を拡大し、日本でも1960年代に量産が開始されましたが、本格的な開発が始まったのは1974年の石油ショック以降で、生産量は1980年代初めは数MW分に過ぎなかったが、2004年現在では世界全体で約1.2GWにまで成長しました。変換効率については、2006年には変換効率40.7%の多接合型集光セルも開発されるなど、高性能化が進んでいます。

  一方で一般市場向けの製品では省資源化と低コスト化が進み、市場が急拡大していますが、2000年から2006年まで、シャープが太陽電池製造量世界一だったが、住宅用太陽光発電への補助金廃止や市場の急拡大に伴うシリコンの供給不足に対応できなかったこともあり、2006年の太陽電池生産量は434MWから2007年は363MWに落とし、生産量はドイツQセルズ社がトップに立っています。メーカー別で見れば、2007年末の日系メーカーの太陽電池生産シェアは24.6%であり、世界一のシェアを誇っています。

原理と種類

【原理

太陽電池は、光の持つエネルギーを、直接的に電力に変換し、その変換過程では熱・蒸気・運動エネルギーなどへの変換を必要としません。太陽電池内部に入射した光のエネルギーは、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力されます。

pn接合における光起電力効果現在一般的な太陽電池は、p型とn型の半導体を接合した構造を持つてます。即ち、大きなpn接合型ダイオード(フォトダイオード)です。下記のシリコン系、化合物系の太陽電池がこれに該当します。 発光ダイオードと逆の過程を通じて電子に光のエネルギーを吸収させ(光励起)、半導体の性質を利用して、エネルギーを持った電子を直接的に電力として取り出だします。

※一般的に半導体とは電気伝導特性が不導体と導体との中間にある特性持つ物質をさします。「半導体/電子デバイス物理」

【種類】

  太陽光は、良く知られているとおり可視光だけでなく紫外線、赤外線と広い波長帯をもち、太陽電池はそれぞれ特性ごとに吸収する波長帯が異なっています。 表では、アモルファスシリコン、徴結晶シリコン、色素増感のそれぞれが吸収する波長帯を示しています。アモルファスは可視光から紫外線を、微結晶シリコンば可視光から赤外線をよく良く吸収することがわかる。タンデム(多接合)型は、こうした特徴を組み合わせることで、より幅広く太陽光を吸収し、高い変換効率を実現しています。三洋電機のHIT太陽電池はアモルファスシリコンと単結晶シリコンを組み合わせた上、モジュールの裏表両面から光を吸収できる構造にして受光量を大幅にアップさせています。

太陽電池は、その中に用いられている材料で分類でき、細かく分けていくと数十種類になるが、3つに大別できます。それぞれ、日本をはじめEU・アジアで最も広く使われているシリコン系、アメリカでもっとも広く使用されている化合物系、製造の容易さ、薄さ、フレキシビリティさに期待がかかり急ピッチで開発が素進められている有機系、にそれぞれ分かれます。さまざまな表現が太陽電池に用いられていますが、素材から見た分類に加え、構造、厚み、動作原理からも使い分けがなされています。とりわけ、構造からみた違いは大きく

HITや微結晶タンデム型の太陽電池がそのパフォーマンスで市場を広げていることにも注目されています。動作原理から唯一形式が異なる色素増感太陽電池は、液体を使うことによる耐久性をいかにクリアするかが今後の課題とされています。



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Do you know Solar Cell History?

太陽光発電 主要メーカーの開発歴史

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