太陽電池

光を電気に変える原理

屋根の上に黒く敷き詰められたパネル状の物を見たことはありませんか?
屋根の上以外にも電卓などにも利用されているのが太陽電池です。

太陽電池は半導体でできておりまして、電池といいましても私たちが普段使うような、電気を溜めておけるものではなく、光が受けている時のみ電気を発生させることができます。

半導体の原子が電気を発生させる

半導体を構成している原子は、光にあたることにより「+電子」と「−電子」を発生させるという特性を持っています。

半導体に不純物を混ぜ合わせる(ドーピング)ことにより、「+電子」が集まるN型半導体と、「−電子」が集まるP型半導体という性質の違う半導体を作ることができます。

それらを合わせることにより、N型半導体とP型半導体には電子の一定の流れができ、その間には電圧が発生します。
N型半導体とP型半導体を導線にて繋ぐことにより、電気が流れるようになるのです。

太陽電池の構成による種類

半導体を結晶化・整形することにより、セルと呼ばれる太陽電池として機能する基本構造ができます。

必要な電圧、電流を得られるようセルを複数枚数接続し強化ガラスや樹脂などで保護した状態をモジュールと呼びます。

実際の太陽光発電システムでは、モジュールを複数枚接続してアレイと呼ばれる構成にて利用されます。

種類豊富な太陽電池

太陽電池の研究・開発は現在も行われており、素材や形状・構造により様々な種類があります。

太陽電池のイメージとしては、厚いとまでは言えませんが、決して薄いとも言えない黒い板状の物を想像しがちですが、現在ではフィルム状のものや、曲面として利用できる太陽電池まで様々あります。

シリコン系

シリコン(元素記号:Si)とはケイ素とも呼ばれ、自然界に存在する物質であり、不純物を取り除き精製することにより、純度を高めることで半導体として利用することができます。

単結晶シリコン:変換効率約23%

最も古い太陽電池が単結晶シリコン太陽電池です。
高純度のシリコンを必要としますが、電力変換率の高さと、長年の研究により最も信頼性のある太陽電池です。

多結晶シリコン:変換効率約19%

変換効率は単結晶には及びませんが、他のシリコン作成過程に発生した部品にて作成することによりコストを抑えることができます。
住宅用の太陽電池として現在最も多く用いられております。

アモルファス(非晶質)シリコン:変換効率約10%

ガラスや金属、プラスチックのフィルムなどにシリコンを薄膜状に形成することにより、形状、設置場所などを自由に設定することができます。

変換効率は低いものの、生産コストの低さ、低照度での発電、熱上昇による低下する出力量が抑えられているなどの特性があり、電卓などに利用されておりますが、近年では屋外での使用もされています。

化合物半導体系

シリコン不足が懸念される中、異なる成分を合わせて精製されるのが化合物半導体です。
シリコンの使用量を減らすことができるのでコストダウンも期待されております。

単結晶化合物:変換効率約15%・多結晶化合物:変換効率約10%

現在も開発途中であり、製造コストの問題などはありますが、単結晶化合物太陽電池は人工衛星などに利用されたりもしております。

多結晶化合物はシリコン系と同様に変換効率は決して良いとはいえませんが、今後の研究開発が期待されております。

※変換効率は2010年現段階にて確認されている概算値です。

意外と深い太陽電池の歴史

太陽電池の原理自体は1839年には発見されていたとされておりますが、現在の形となったのは1954年のことです。

当初は宇宙事業に主に活用されていた

太陽の光から電力を発生させることができる太陽電池は、宇宙空間を漂う人工衛星の電源としてうってつけであり、実際に1958年には太陽電池を搭載した初めての人工衛星の打ち上げに成功し、それまでの人工衛星とは比べ物にならない程の期間、動作するための電源として機能したのです。

その後太陽電池は無人灯台(1959年日本)などの、電源をひくのが(環境やコスト的に)困難な場所などに活用されてきました。

オイルショックを契機に日本での開発が活発に

1973年に起こったオイルショックにより、エネルギー資源を輸入に頼っている実情を打開すべく、新エネルギー(風力、地熱、太陽光などの再生可能エネルギー)による発電が注目を浴びました。

日本におけるエネルギー自給自足を目指すべく、サンシャイン計画なども発足し、環境を考慮したエネルギー生産方式などが検討されました。

家庭における太陽光発電の元祖とは?

日本でも人工衛星や灯台などに太陽光発電は使用されておりましたが、最も身近な存在となったのは、1976年に発売された太陽電池付きの電卓だと思います。

日常的に電卓を使用する人はもちろんですが、たまにしか利用しない人も電池切れを心配することなく利用できる太陽電池付き電卓は、太陽光発電のメリットを最も実感できる、すばらしい発明といえると思います。

本格的な発電に向けて

1986年には大規模な太陽光試験発電所も建設され、家庭における太陽光発電と、電力会社との電力供給仕様に関する研究や試験が行われました。

1992年には電力会社にて、住宅用太陽光発電における余剰電力の買取制度も始まり、住宅用の太陽光発電システムの実用が開始されました。そして1993年には住宅用太陽光発電システムの販売が開始されております。

1994年にはシステム導入に伴う補助金制度も始まり、家庭における太陽光発電システムの普及率が向上したのです。

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