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太陽電池で電気が生まれる仕組みと半導体の種類


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再生可能エネルギーを推進する日本において、太陽電池は非常に重要な装置です。
そのため、国による補助金制度等の政策的な後押しが行われ、近年では産業、家庭ともに太陽光電池を導入するケースも増えてきました。

 

このように普及に弾みがつき始めた太陽電池ですが、幾つかの種類があることはご存知でしょうか?
太陽電池の種類によって特徴が異なり、それぞれメリットやデメリットがあります。

そこで本記事では、太陽電池が電気を生み出す仕組みとともに、その仕組みで活用される半導体の種類についてご紹介いたします。

 

 

太陽電池で発電する仕組み

太陽電池に光が当たると、なぜ電気が得られるのでしょうか?その秘密は、「光電効果」にあります。

 

光が物質に当たると、物質中の電子が光のエネルギーを吸収する現象が生じます。
そして、電子がエネルギーを吸収した後は周辺にエネルギーを放出し、場合によっては電子が外へ飛び出すことがあります。このように、エネルギーを含んだ電子が飛び出ることが、光電効果と呼ばれる現象です。

 

太陽電池に光が当たった場合は、エネルギーを含んだ電子が太陽電池の機能によって選択され、その電子を外部の電気回路へ向かわせます。
そして、電気回路に向かった電子はエネルギーを放出し、電力として活用されます。
このとき、エネルギーを含んだ電子を選別する働きをするものが、後述するシリコン系等で出来た半導体になります。

 

次に、シリコン系をはじめとした様々な種類の太陽電池をご紹介します。

 

 

シリコン系

シリコン素材を使用した太陽電池で、国内で最も普及している種類になります。
シリコン系はエネルギー変換効率の高さがメリットです。
ただし、他の種類と比較すれば高コストであことがデメリットとなります。

シリコン系はさらに、以下の種類に分けられます。

 

・単結晶

古くから活用されてきたタイプです。技術的な信頼性が高く、変換効率が最も優れたものになります。

ただし、コストが高くなることは避けられません。
また、高温下では期待する変換効率が得られないこともあります。

 

・多結晶

変換後逸は単結晶よりも劣ってしまいますが、その分、コストは割安になります。

 

・アモルファス

薄く製作することが可能で、また高温化でも機能劣化しません。
単結晶と比較すると割安ですが、逆に変換効率は劣ります。

 

・HIT

単結晶とアモルファスを組み合わせた種類で、高温化に強く変換効率も比較的高めです。
ただし、コストは割高になります。

 

 

化合物系

無機化合物を利用した太陽電池です。
無機化合物として銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)等が主に使用されます。

それぞれの3元素頭文字を取ってCIS太陽電池と表現されることもあります。
その他、ガリウム(Ga)を追加して4元素から成るCISG太陽電池も出てきています。

 

化合物系太陽電池の特徴は、シリコン系高温状態の中でも変換効率が落ちること無く、また割安であることです。
エネルギー変換効率自体はシリコン系より劣りますが、近年では様々な原料との組み合わせで変換効率向上が期待されています。

例えば、上記に挙げた元素以外にも、下記のものが存在します。

 

・GaAs太陽電池

ガリウム(Ga)、ヒ素(As)を利用した太陽電池です。高い変換効率を誇りますが、化合物系よりも高コストです。人工衛星等で活用されることが多いタイプです。

 

・CdTe太陽電池

カドミニウム(Cd)、テルル(Te)を活用した太陽電池で、コストを抑えながら変換効率を上げることができます。ただし、カドミニウムの毒性が懸念されているため、現在、日本国内では製造されていません。CdTe太陽電池の大部分はアメリカ製となっています。

 

 

有機系

主に炭素を用いた種類の太陽電池です。
柔軟性があるため、屋上のみならず、壁面にも設置が可能です。

 

この種類の太陽電池は変換効率に問題があり改善の余地があるものの、近年では東京大学が開発したフレキシブルCNT有機薄膜太陽電池のように経済性、柔軟性、変換効率ともに優れた太陽電池が実現できる見通しとなりました。

現在、有望視されている種類の太陽電池と言えます。

 

 

まとめ

一言で太陽電池と言っても、複数種類あることがご理解頂けたかと思います。
現在はシリコン系太陽電池が主流ですが、有機系の技術革新も進んでおり、エネルギー効率と経済性を兼ね備え、そして応用性にも優れた太陽電池が生まれることも夢ではありません。

 

太陽電池のそれぞれの種類を適材適所で活用することにより、再生可能エネルギーを中心としたエネルギー社会が推進されていくことが期待されます。

2015/08/11