エネルギー研究所ー新たなエネルギーとは

太陽電池の構成、セルとモジュール、アレイ

 

太陽光発電の要である太陽電池とは、光のエネルギーを直接電気に変換する半導体素子の一種です。

 

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セル


太陽電池は一般的にいっぺん10~15cmほどの正方形に形成されています。

これをセルと呼びます。

セルとは大きなものを構成する小さな単位を表す単語であり、生物では細胞を意味します。

すなわち、ここの太陽電池という小さな細胞が集まり、太陽電池モジュールや太陽電池アレイという大きなシステムを構成するのです。

ただ時計や電卓、最近は携帯電話にも使われていますが、このような小型機器に取り付けた太陽電池はセルなのかモジュールなのか少し微妙です。

 

 

モジュール

 

数十枚のセルを配線してつなぎ、樹脂や強化ガラスなどで覆ったものが、太陽電池モジュールです。

太陽電池を太陽光発電システムの一部として使いやすいようにパッケージしたものであります。

太陽電池パネル、ソーラーパネルとも呼ばれます。

太陽電池モジュールは、常に直射日光や風雨にさらされているため、表面を強化ガラスで覆い、バックシートは変色や劣化を起こしにくい耐候性多層構造フィルムなどを用います。

また、隙間を埋める透明樹脂やシール材料の耐水性も十分に確保し、フレームには、耐食アルミを採用するなど数々の工夫をしています。

そのため、太陽電池モジュールは20~30年という長い耐久性を持ちます。

 

 

太陽電池アレイ

 

太陽電池モジュールを直列につなぎ、求める電圧を得られるようにしたのがストリングです。

そして、各ストリングは、逆流防止ダイオードをはさんで並列につなげられ、安定した電力を取り出すため、バイパスダイオードなどと組み合わせ、太陽電池アレイになります。

普段、屋根の上で見かけるのはこの太陽電池アレイです。

 

 

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太陽電池の材料

シリコン

現在普及している太陽光発電機の大部分は半導体を利用したものです。
その中でもシリコン(Si)タイプのものが大部分のシェアを占めています。
シリコンはクラーク数(地球に存在する材料の指数で、大きいほうが多く存在する)が酸素に次いで2番目に高く、安価で安定的に存在する物質です。
現在の太陽電池の大半がこのシリコンを利用して作製されています。シリコンタイプのものもシリコンの利用方法によって様々な種類に分けられます。

シリコンタイプの中で高効率を誇るものが単結晶シリコンタイプです。
一般的に物質は規則性を持つ塊結晶には向きがあり、大きなひとつの結晶として捉えられるものを単結晶といいます。
単結晶の場合、結晶の向きが小さな単位で様々な方向を向いている多結晶タイプと比較して変換効率が高くなる傾向にあります。
しかし単結晶の作製には結晶の向きをそろえるための精製が必要なため作製コストが高くなりがちです。
これに対し多結晶シリコンは、巨大な結晶を精製する必要が無いため作製コストを低く抑えることができます。
多結晶は、比較的小さな単結晶が様々な方向を向いたまま、まとまったものです。同じ時間で10倍ほどの結晶を得ることができます。
また比較的大きなセルを作製することもできます。
ただし、性能も数%程ですが単結晶のものよりも劣ります。

結晶タイプのほかにも薄い膜の形状である薄膜タイプのものもあります。
通常のシリコン結晶ですと吸収係数が低く薄膜には適しませんが、水素と反応させた水素化アモルファスシリコンでは吸収係数が大きくなるため、この水素化アモルファスシリコンを用いた薄膜太陽電池が実用化されています。
アモルファスとは物質の構造が結晶のように揃って規則的に配列していない状態を指します。
水素化アモルファスシリコンは、結晶シリコンに比べ吸収係数(単位長さあたりの吸収できる光の量)が大きいため、薄膜化しても利用できることから、電卓などの比較的消費電力が少なくても可動するシステムへ利用されています。

 

化合物半導体型

シリコンの間接遷移型と呼ばれるエネルギーバンドの構造上、直接遷移型物質の方が性能面では優れています。
半導体の重要な特長のひとつとして、様々な材料を組み合わせることで、材料の性質を変化させ、性質を比較的容易に調整することが可能な点が挙げられます。
太陽電池でもこの半導体の特長を生かしたものがあります。
メンデレーフの周期表によるグループの名前がついたりなど、種類は多岐にわたります。
メンデレーフの周期表における13列目および15列目の半導体はそれぞれIII族、V族と呼ばれ、それらの組み合わせの物質体系はIII-V族型と総称されます(先述のシリコンは、間のIV族)。
これらの化合物半導体は、比較的他の結晶との混ぜ合わせが容易で、様々な特性を持つ太陽電池が開発されています。代表的なものではGaAs等があげられます。
III-V族系と同様に周期表の12列目と16列目の物質を組み合わせた材料をII-VI族化合物と呼びます。
一般的にII-VI族系の物質の特徴は、物質の価格が安価である点が挙げられます。代表的なものはCdTe等です。
銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)で構成されるCIGS系は比較的新しいグループの太陽電池です
。吸収効率が良く、薄膜に利用できる点や、放射線耐性が優れているなど今後の発展が期待されています。

 

有機薄膜型

半導体のほかにも、炭素を含む有機材料を利用した太陽電池も幅広く研究が行われています。
現段階では発電効率は数%と低いですが、半導体などの無機物質と比較して価格が安価である点が、最大の利点として挙げられます。
また有機物質には曲げられるという特長があり、曲げても破損しないなど、半導体タイプの太陽電池にはない特性を持っています。
熱に弱いなど、課題点は多々ありますが、今後の発展が期待される方式です。

 

色素増感型

色素増感型は1991年にスイス連邦工科大学のグレッツェル教授らにより提案された比較的新しい方式です。
この方式では半導体結晶を使わず粉末や液体物質を利用します。
半導体方式と比較して材料が安価であることから低コストで、構造が比較的シンプルであることから製作コストも抑えることができます。
一般的な色素増感型の方式ではレアメタルであるルテニウム(Ru)を利用している点が材料面では費用がかさむひとつの原因となっていました。
比較的安価な有機物質を利用して低コスト化を目指している方式など今後の高性能化および低コスト化が期待されています。

 

ペロブスカイト型

結晶構造のうち灰チタン石(CaTiO3)と同じ構造を持つ物質をロシアの研究者L. A Perovskiにちなんでペロブスカイト型と呼びます。
ペロブスカイト系物質の特長として比較的物質が安定で合成が容易である点があげられます。
一部の有機物と無機物により構成されるペロブスカイト型物質では、液体材料を薄く塗り乾かすだけで薄膜が作製できることが報告されています。
後述の表からも分かるように、最高効率も、他の種類の太陽電池と比較して最高速度で年々順調に上昇しており、今後の応用が注目されています。

 

まとめ

 

太陽光発電設置の際はパネルの性能と同じくらい、施工の質にも気を付けていただくことをおすすめします。

無駄な配線や異常な負荷のかかる設計は長期的な発電量損失につながる可能性があり、本来得られるべき発電量より少なくなればなるほどエネルギーペイバックタイムも長くなります。

人類が抱えているエネルギー問題、

現在の暮らしを見つめなおして、

未来の暮らしを考えてみましょう。

それでは、最後まで読んでくださって

どうもありがとうございました!^^

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してくださると幸いです◎




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