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これだけガソリンや灯油が高くなり、地球温暖化が問題になってくると、環境にやさしい新エネルギーの開発が待ち遠しい。

太陽電池(Solar cell)は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しないし、NOxやSOxなどの環境汚染物質も発生しない新エネルギーだ。

主流のシリコン太陽電池の他、様々な化合物半導体を素材にしたものが実用化されている。最近は色素増感型(有機太陽電池)と呼ばれる太陽電池も研究されている。

太陽電池の基本原理は1839年フランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルによって最初に発見された。しかし実際に発電が可能となったのは1884年アメリカの発明家Charles Frittsにより半導体性のセレンと極めて薄い金の膜とを接合したもので、得られたエネルギー変換効率はわずか1%ほどのものだった。

現在のシリコン型太陽電池の誕生は1954年、M.B.Princeによって米国のベル研究所にて開発された、単結晶シリコン型太陽電池。当時は Bell Solar Battery と呼ばれ、太陽光のエネルギーを電力に変換する効率は6%であった。

変換効率については、2006年には変換効率40.7%の多接合型集光セルも開発されるなど、高性能化が進んでいる。一方で一般市場向けの製品では省資源化と低コスト化が進み、寿命も20年ぐらいに伸びている。

なお2006年までは、日本のシャープが太陽電池製造量で世界一であった。しかし、市場の急拡大に伴うシリコンの供給不足に対応できず、2007年の生産量はドイツQセルズ社がトップに立っている。

これからも期待したい太陽電池であるがどんな種類があるのだろうか?

これには大きく分けて3つのタイプがある。シリコン系化合物系そして有機系である。

シリコン系はシリコン半導体を使ったもの、化合物系は化合物半導体を使ったもの、有機系は色素を使って太陽光を電気エネルギーに変換する。エネルギー効率はシリコン系で最大40.7%、化合物系で25.1%、有機系で10.4%と小さくなる。

製造が簡単で材料も安価なものは有機系や化合物系である。また有機系の太陽電池には色素増感型太陽電池と有機薄膜太陽電池があり、色素増感型太陽電池では、色素としてシアン,マゼンタ,黄色の三原色を利用でき、カラフルな電池が設計できる。

有機系は形状の自由度が高いのも特徴だ。自由な形状に切り抜いたり,プラスチック基板を使えば折り曲げられる電池も実現できる。これに対して従来のシリコン系太陽電池は黒色で平坦な太陽電池しかできなかった。

このように太陽電池には、さまざまな種類がありそれぞれ一長一短がある。当面の課題である、経済性とエネルギー効率を上げるため、さまざまな研究がなされている。

シリコン系太陽電池とは? → アイラブサイエンス記事2007年04月10日

化合物太陽電池とは?   → アイラブサイエンス記事2008年01月01日


有機系太陽電池とは?


シリコンや無機化合物材料を用いた太陽電池に対し、光吸収層(光電変換層)に有機化合物を用いた太陽電池も開発されている。製法が簡便で生産コストが低くでき、着色性や柔軟性などを持たせられるなどの特長を有する。変換効率や寿命に課題があるが、実用化されれば将来の市場で大きなインパクトが期待されるため、開発が競われている。

色素増感太陽電池
有機色素を用いて光起電力を得る太陽電池。代表的なものはグレッツエル型(または湿式太陽電池)と呼ばれる型式のもので、2枚の透明電極の間に微量のルテニウム錯体などの色素を吸着させた二酸化チタン層と電解質を挟み込んだ単純な構造を有している。製造が簡単で材料も安価なことから大幅な低コスト化が見込まれ、最終的には現在主流の多結晶シリコン太陽電池の1〜数割程度のコストで製造できると言われている。

また軽量、着色も可能、などの特長を持つ。現在の課題は効率と寿命であり、技術的改良が進められている。電解液の蒸発を如何に防ぐかが重要であり、固体化などの技術開発が進められている。2005年時点での世界記録は、シャープが持つ10.4%である(Chibaら、15th PVSEC,Shanghai,2005)。既に企業による大型モジュールの試作やフィールドテストが各国で行われるなど、将来の低コスト太陽電池として有望視されている。生産過程でガスは使用しない。

有機薄膜太陽電池
導電性ポリマーやフラーレンなどを組み合わせた有機薄膜半導体を用いる太陽電池。開発が進めば、上記の色素増感太陽電池よりもさらに構造や製法が簡便になると言われており、電解液を用いないために柔軟性や寿命向上の上でも有利なのが特長である。

21世紀に入ってから盛んに開発が行われるようになっている。課題は変換効率であり、現在の記録は単接合では4〜5%程度、多接合ではUCSBの Heegerらの6.5%である。より高効率の出る材料の探索が進められている。 (出典:Wikipedia)

 

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