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地球温暖化対策として、新エネルギーの研究が進んでいる。なかでも普及しているのが太陽電池であろう。

日本は世界最大の太陽電池生産国である。

太陽電池の利点とは、どんなところだろう?太陽電池の種類にはどんなものがあるのだろう?

利点としては、二酸化炭素を出さない。エネルギーが無限にある。クリーンなエネルギー。などいろいろある。

太陽電池の種類としては大きく分けるとシリコン系とそれ以外の化合物系に分かれる。

今日は改めて太陽電池のしくみと、シリコン系太陽電池について調べたい。

  のびる太陽電池の需要

太陽電池とは?

太陽電池は半導体の一種で、光エネルギーを直接電気に変えます。そして、太陽光を受けている間だけ電気を発生する太陽光発電装置です。この技術は1954年に米国で発明されました。その後、人工衛星に搭載されたりなどしてきましたが、これまでの技術開発により、光から電気にかえる効率(変換効率)が向上し、コストも下がってきたため、一般家庭用の電源としても普及し始めました。太陽電池は、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や有害な排気ガスを出さず、太陽がある限り発電をし続ける、全くクリーンな発電装置です。

太陽電池のしくみ

(1)太陽電池は普通p型半導体とn型半導体が接触してできている。
 p型は正孔(+)を持ち、n型は電子(−)を持つので電流が流れる。
(2)しかし接触部分では正孔に電子が入り込み+−が中和された状態ができる。
(3)この接触部分の電子は電流を流すエネルギーが足りない。
(4)ところがここに光が当たると電子が励起し、電流を流すエネルギーを持つ。
  この性質を光伝導という。

太陽電池の種類

太陽電池は、使われる半導体によっていろいろ種類があります。大きくはシリコン系と化合物系他があります。現在の主流はシリコン系です。さらに、シリコン系の半導体には、結晶系と薄膜系があります。結晶系はシリコンを溶かして固めた後、スライスした基板を用いて作りますが、薄膜系はガラスなどの上にプラズマなどを利用して非常に薄いシリコンの膜を成膜して作ります。薄膜系は大きな面積のものを大量に作ることができますが、変換効率や信頼性の面で、まだ結晶系シリコンに劣っています。

シリコン系

シリコン(Si)を用いる太陽電池は、材料の性質の観点からは、大きく結晶シリコンとアモルファス(非結晶)シリコンに分類することができる。またその形態から、薄膜型や多接合型などを分別することができる。その形式や性能は非常に多様であり、近年は複数の型を複合させたものも実用化されている。このため、ここに挙げた分類法も絶対のものではないことを付記しておく。

シリコン膜の構造による分類

''結晶シリコン''の禁制帯幅は 1.12 eV であり、太陽電池に用いた場合、近紫外域から 1.2 μm 程度までの光を吸収して発電できる。間接遷移型の半導体であるため光吸収係数が低く、実用的な吸収量を得るには最低200μm程度のシリコン層が必要とされてきた。しかし表面テクスチャなどを用いた光閉じ込め技術が発達してきており、近年は結晶シリコンであってもシリコン層が数 μm〜50 μmなどと非常に薄く、薄膜太陽電池に分類できるものも開発されている。c-Siなどと略記される。

単結晶シリコン型
高純度シリコン単結晶ウエハを利用するもので、最も古くから使われている。変換効率は高いが高純度シリコンの利用量が多く、生産に必要なエネルギーやコストが高くなる。そのため近年は下記の多結晶シリコンや薄膜シリコン太陽電池に移行が進んでいる。

多結晶シリコン型
結晶の粒径が数mm程度の多結晶シリコンを利用した太陽電池。他のシリコン半導体素子の製造過程で生じた端材やオフグレード品のシリコン原料を利用して製造できる。単結晶シリコンに比べると面積あたりの出力(変換効率)は落ちるが、生産に必要なエネルギーは少なく、エネルギー収支やEPT、GEG排出量の面では単結晶シリコンより優れる。コストと性能のバランスの良さから、現在の主流となっている。

微結晶シリコン型
微細な結晶で構成された薄膜をCVD法などにて製膜するものである。多結晶型の1種と見なせるが、製膜条件によってはアモルファス半導体|アモルファス的な性質も併せ持つ。μc-Si などと略記される。比較的新しい技術で、インゴットを切断する手間が省け、資源の使用量も削減できるほか、製法によっては200℃程度の低温での製膜が可能で基板を選ばない、などの特長がある。今後、広範囲な応用が期待されている。 

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