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太陽電池の分類と特徴

太陽電池の分類と特徴

太陽電池の量産されているものから開発中のものまで分類と特徴についてみていきます。

太陽電池に使われる素材は、大きく分けて、シリコン系と化合物系、有機系の3系統があります。

最も多く使用されているのがシリコン系です。

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シリコン系太陽電池

シリコン系太陽電池は、結晶シリコンとアモルファスシリコンに分けることができます。

さらに結晶シリコンは結晶の状態により単結晶シリコンと多結晶シリコン、微結晶シリコンに分けられます。

このうち、単結晶シリコンは最も変換効率が高いが、単結晶構造を作るために高度な技術が必要で、価格が高くなります。

一方、多結晶シリコンは単結晶シリコンよりも安く、現在の太陽電池の主流になっています。

微結晶シリコンとアモルファスシリコンは変換効率は低いが、価格が安く作れ、膜状で加工しやすいので、さまざまな場面で登場します。

また、結晶シリコンをアモルファスシリコンではさんだHIT太陽電池は変換効率がよいです。

 

単結晶シリコン太陽電池

単結晶シリコン太陽電池はもっとも長い歴史と実績を持っています。

単結晶シリコンは、全体が一つの結晶でできていて、すべての部分において原資が3次元的に規則正しく並んでいます。

これは、シリコンがその能力を最大限に発揮できる配列で、実用レベルで20%。研究レベルで25%という高い変換効率を誇っています。

単結晶シリコン太陽電池は砕いたシリコンを1500度で溶かし、シリコンの種結晶を入れて回転させながら引き上げると、棒状の単結晶シリコンインゴットができます。

これを200umにスライスしたものが単結晶シリコンウエハです。

p型半導体をつくる時はホウ酸などを添加します。

シリコンウエハの表面からリンを添加、拡散してn型半導体の層を作ると、この基盤がpn接合となります。

そして、反射防止膜や電極を形成して基本的な太陽電池になります。

 

多結晶シリコン太陽電池

現在最も広く使われている太陽電池です。

単結晶シリコンがそれぞれの塊ごとに別の面を向いて、不規則に並んだものです。

変換効率は単結晶シリコンに劣るが、低コストで作られる。

多結晶シリコンの製造は、溶解したシリコンを鋳型にいれ、最固化する手法がとられています。

そのため、単結晶シリコンのインゴットとは異なり、四角いブロック状のインゴットができます。

多結晶シリコンの粒界は、結晶の原子の並びが乱れた部分であり、そこでは原子が共有結合の相手を失い、電気的に不安定になっています。

そのため、粒界部分には自由電子や正孔が集まりやすく、自由電子と正孔の再結合が起こり、太陽電池の変換効率が低下する一因になっているので、シリコン原子の共有相手をシリコン内に導入して、電気的に安定させます。

これが、パッシベーションと呼ばれるものです。

また、裏面にウエハより添加物濃度の濃いp型半導体層を形成し裏面にも電位差を生じさせることで、裏面電極付近での再結合を防ぎます。

反射防止膜の表面を微細なピラミッド状にして光を長閉じこめる工夫もしています。

 

アモルファスシリコン・HIT太陽電池

シリコン原子が結晶構造にならず、無秩序に結合している状態をアモルファスシリコンと呼びます。

アモルファスシリコンは結晶系シリコンより短い波長域の光をよく吸収し、高い電圧を得られます。

しかし、変換効率は低いので、結晶系シリコンとアモルファスシリコンを組み合わせることで高い変換効率がえられるようになりました。
これが、HIT太陽電池です。

アモルファスシリコンは、基盤となるn型結晶シリコンの上にプラズマ化させたシランガスを吹き付けて成膜させます。

そのため、HIT太陽電池は結晶系シリコン太陽電池より薄型にできます。

また、HIT太陽電池は表裏対称に真性半導体層、p型半導体層・n型半導体層、導電膜層、電極の層を作ることで、熱によるゆがみが抑えられます。

 

薄膜シリコン太陽電池

薄膜太陽電池は、少ないシリコンで製造ができ、原材料の減量に貢献する太陽電池です。

ガラスやポリエステルフィルム上にスパッタリング方式で電極となる金属層を成膜した後、プラズマ化したシランガスにそれぞれ必要な添加物ガスを加えたものを吹きつけ、n型、i型、p型シリコン層をつくります。

これを化学気相成長法といいます。

その後、スパッタリング法で透明電極層を乗せ、レーザー加工などを施して表面電極を形成すれば、薄型シリコン太陽電池が出来上がります。

薄膜シリコン太陽電池のシリコン層の厚みは一般的な結晶系太陽電池の100分の1程度で省資源性が高いが、変換効率は低いため、アモルファスシリコンと微結晶シリコンを組み合わせたり、ほかの化合物半導体を組み合わせて、変換効率を上げる工夫をしています。

 

 

化合物系太陽電池

シリコン以外の化合物を使ったものが化合物系太陽電池です。

第13族と第15族の化合物を使ったⅢ-V族多接合系、銅・インジウム・ガリウム・セレンなどの化合物を使ったCIGS系太陽電池、そして、カドミウムとテルルを使用したCdTa太陽電池は、製造時の省エネルギー性が高く、シリコン形に変わるものといわれています。

現在、変換効率が比較的大きく、フレキシブル化や価格低下の余地の大きいCIGS系の太陽電池が注目されています。

化合物系太陽電池

シリコンを使用しない化合物系太陽電池が登場したのは1990年以降のこと。

銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物であるCIGS系太陽電池が代表的です。

これは、ガラスやセラミックなどの基板の上にモリブテン電極があり、その上にGICS膜、さらにごく薄いバッファ層を挟んで、酸化亜鉛の透明電極のある多層構造です。

化合物系太陽電池は、研究レベルで20%の変換効率を達成していて、製造法や材料のバリエーションが豊富で、低コスト品から高性能品まで対応できます。

また、シリコンと違い放射線に強いので宇宙空間での利用に適しています。

特徴として
①厚さ約2~3um で省資源性が高く、製造時のエネルギー消費も少ない。

②基盤にはガラスや金属箔やプラスチックなどが用いられフレキシブル化が可能

③大面積の太陽電池を一度に製造できるので量産化が容易でコストが下げやすい

④成膜法や材料を変えることで、用途に応じた性能・価格のものが製造できる

⑤光や放射線による劣化が極めて少ない

CdTe太陽電池

価電子帯で光エネルギーを吸収した電子は伝導帯の最下レベルまでエネルギーレベルを上げ、そこで運動エネルギーを得て伝導帯の波数と同調し、伝導帯に飛び込むという、2段階のジャンプを行います。

このような電子の移動を間接遷移と呼び、シリコン半導体の電子の移動にかかわってきます。

しかし、伝導帯の最下部の波数が、価電子帯の頂点の波数と一致しているならば、帯間の電子の移動の際に波数を変える運動エネルギーは必要ありません。

これが、直接遷移と呼び、直接遷移タイプの半導体は光を吸収する能力が大きいため、少ない材料で十分な電力を得る薄膜太陽電池の製造に向いています。

CdTe太陽電池はCdTeをp型半導体に、硫化カドミウムCDSをn型半導体に利用した構造で実用化されています。

薄膜層の成膜方法で主流なのが、真空プロセスがないために低コストで製造でき、大画面化も容易なスクリーン印刷法です。

CdTe太陽電池は、小面積セルで約13%、大面積モジュールで9%の変換効率が得られました、

 

 

有機系太陽電池

有機系には、色素が光を吸収して、電解質の層をイオンが移動する色素増感太陽電池とp型とn型の有機半導体を混ぜ合わせて塗るという特異なタイプの有機半導体太陽電池があります。

いずれもまだ研究開発の段階で実用実績はないが、製造が容易で安価で作れるので、早期の実用化が望まれます。

 

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まとめ

 

今回は太陽電池の種類と特徴についてみてきましたがいかがでしたか?

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!^^

よろしければシェアやコメント等

してくださると幸いです◎




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