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リーフレット「化学のちから」03

世界を照らす太陽の再生可能エネルギー
太陽光発電［直接関連する項目］ 科学と人間生活「光や熱の科学」
化学「化学反応とエネルギー・電池、無機物質、有機化合物」［間接的に関わる項目］ 化学「無機物質の性質と利用、有機化合物の性質と利用」

化石燃料などに代わって、長期間利用することの可能なエネルギーとして今もっとも注目されているのが太陽の光です。太陽が生み出すエネルギーは膨大で、1 億 5,000 万 km 離れた地球でさえ、世界の年間消費エネルギーを、わずか 1 時間ほどでまかなうだけのエネルギーを地表に送っているのです。太陽光の利用としては、光触媒で水を分解して水素を取り出す研究も「化学のちから」を活用して進められていますが、ここでは実用化が進んうに説明することができます。すなわち、一でいる太陽電池について考えてみましょう。

定以上のエネルギーを持つ光を吸収すると、半導体である素子の中の電子が動かされるこ

光を電気エネルギーにとによってプラス（正孔）とマイナス（電子）に分離し、電極の間で電位差が生まれます。

太陽光発電では、「太陽電池」と呼ばれる、現在、太陽電池はさまざまなサイズや形の結晶シリコン（＊）などでできた素子（「パネル」

ものが製造されています。小型のものは携帯といいます）で太陽光を受けて電気をつくり電話などの充電器や電卓に、大型のものは屋ます。電池というと、乾電池や蓄電池を連想

根の上に取り付けられて家庭での発電に利用して、「電気を蓄えるもの」をイメージするされるなど、暮らしの中に広がってきていまかもしれません。しかし、電池とは、正極（プす。多数の太陽電池パネルを並べて設置しラス極）と負極（マイナス極）の間に電位差（＝て、発電所のように大きな電力を供給する大電気を流す力）を生じさせる装置のことをい規模太陽光発電の導入も進められています。

います。たとえば、ボルタ電池やダニエル電出力が１メガワット（メガは 106 を意味しま

池は、化学反応で電位差をつくります。太陽すので、１メガワット＝百万ワット＝ 1,000

電池は、光で電位差をつくります。シリコンkW）を超える大規模なものは「メガソーラー」

結晶を素子とする太陽電池については次のよと呼ばれています。
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点で、太陽電池の生産・利用はさらに拡大していますが、中国・台湾での生産量が世界の生産量の半分以上を占めています。

太陽電池の素材あれこれ太陽電池に使われる素材には、いくつかの種類があります。ケイ素を主成分とする「シ図 1. 大規模太陽光発電所の例（山梨県北杜市）
画像提供：新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

リコン系」、数種の元素を含む「化合物系」、炭素を含む「有機系」などが開発されていま現在主流になっている結晶シリコン系太陽す。それぞれの系でさらに細かい種類に分類

電池は、1954 年、アメリカ合衆国での開発され、シリコン系の素材には、生産コストはが始まりでした。日本では、1973 年の石油高いがエネルギー変換効率のよい「単結晶」

ショックを機に、太陽光を石油以外のエネル（全体がひとつの結晶体になっているもの）、ギー源として利用しようという国の取り組み

効率は悪いがコストの安い「薄膜シリコン」、「サンシャイン計画」において開発が進めらそして、それらの中間にあたる「多結晶」（多れました。その後、我が国は世界の太陽電池くの結晶体からなるもの）があります。現在研究をリードし、1999 年から 2007 年まで

は、シリコン系の多結晶を素材とする太陽電は国別で生産量が第 1 位でした。2012 年時

池がもっとも普及しています。
現在の太陽電池の主流
結晶シリコンシリコン糸太陽電池の種類

化合物系

有機系

単結晶
多結晶

薄膜シリコン

中効率、低コスト
電卓や窓用にハイブリッド

高効率で、一般家庭の屋根に設置

13-15族組み合わせ型で超高効率人工衛星やソーラーカーにCdTe

中効率、低製造コスト
大規模発電に用いられる

CIGS

比較的、高効率
製造コストは低い

色素増感反応利用
有機半導体

図 2. 太陽電池の種類
佐藤 勝照『「太陽電池」のキホン』ソフトバンククリエイティブ（2011 年 4月発行）より引用、一部改変
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リーフレット ‑ 03

「 化 合 物 系 」 に は 13-15 族（13 族 と 15 族

太陽光には、私たちが目で見ることのできの元素の組み合わせでできる半導体で、旧名る「可視光線」や、エネルギーが強く日焼け

称では III-V 族と呼ばれる；例として GaAs：のもととなる「紫外線」など、さまざまな波

ヒ化ガリウム）、CdTe（テルル化カドミウム：長の光が含まれています。エネルギーを無駄12-16 族）、CIGS（組成式：CuInGaSe2）をなく電力に変換するためには、すべての波長素材とする種類があります。13-15 族で複層の光を吸収する必要があります。しかし、太に組み合わせたものは、シリコン系のものよ

陽電池では、その素材によって吸収できる光りも光を変換する効率が高いですが、コストの波長が限られるため（図 3 参照）、利用できも高いことから一般には普及しておらず、人るエネルギーに限界があります。また、太陽工衛星などで利用されています。

電池が光を吸収したあと電気に変換する過程「有機系」には、色素増感反応を利用したでもエネルギーの損失があります。現在実用もの（色素に光を吸収させることで、利用波化されている結晶シリコン太陽電池の場合、長の範囲を長波長側に広げている）と有機半電気として取り出せているのは、太陽電池が導体を用いたものとがあります。これらは、受け取った太陽光エネルギーの 2 割程度なの効率や耐久性に課題がありますが、生産コスです。

トは安いと予想されており、将来の可能性が期待されています。

二酸化炭素を排出しない「クリーン」な発電

光の性質とエネルギー変換

太陽光発電の実用化が進んでいる理由のひ

日本に降り注ぐ太陽光のエネルギーは、平とつに、発電の際に二酸化炭素を出さないこ

均すると１ m あたり毎秒１ kW ほどありまとがあります。ただし、この理由だけでは、すが、現在の太陽電池で利用できるのは、実単純にクリーンな発電方法とはいえません。

はその一部だけです。これには光の性質が関太陽電池に限らず、発電のための機器を製造わっています。

するには多くの電力を必要としますので、そ2

さまざまな素材の吸収波長域
波長区分

結晶シリコン
薄膜シリコン（アモルファス）ヒ化ガリウム：GaAs
CIGS：CuInGaSe₂
200300400

紫外（UV）

500600700800可視（VIS）

9001000

1100

赤外（IR）

1200(nm）

図 3.さまざまな素材における吸収波長の違い

M.A.Green et al., Prog. Photovolt: Res. Appl. 20, 12-20 (2012) のﬁg. 1を元に作成
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の製造のための電力も含めた合計で考えなけ

電気を安全に、効率よく得るためにればなりません。
そのため、再生可能エネルギーと呼ばれる、太陽の光に依存する太陽光発電では、夜間自然から得られるエネルギーを用いた発電でやくもりの日があるので、日本では平均しては、「発電機器を製造するために使った電力

1 年 間 に 1,000 時 間 程 度 し か 発 電 で き ま せを、どれくらいの期間、使用することで取りん。1 年間が 8,000 時間以上あることを考え返せるか」という見方で評価することが必要れば、常に発電できる火力発電や原子力発電です。結晶シリコン系の太陽電池では、日本に比べると発電量はどうしても少なくなりまにおける標準的な環境（年 1,000 時間発電）す。しかし、設置可能な場所が多く、さまざで使用すると、2 年程度の発電で、それを製まなスペースを利用できること、設置場所付造するために使った電力をまかなうことがで近の汚染や危険度は圧倒的に低いことなどのきるとされています（参考文献 5）。もちろん、利点があります。クリーンで安全な電力を安より少ない電力で製造でき、より効率の高い定して得るためには、より効率の高い太陽電発電ができれば、製造分の電力を回収するの池を開発することが望まれています。に必要な時間はもっと短くなります。
さらに、今後も太陽光発電は、クリーンな発電の最今よりも長期間（20 年以上）にわたって使有力候補として各国で研究開発と普及が進めえる太陽電池の研究が続けられています。

られていくでしょう。

問題

原子力発電 1 基に相当する電力量を得るために太陽光発電を利用する場合、どのくらいの面積が必要でしょうか。また、その面積は東京ドーム（5万 m2 とする）の何倍になるでしょうか。
ただし、原子力発電 1 基の発電量は 100 万 kW で、連続稼働するとし、太陽電池は 1 年（8,760 時間）のうち、1,000 時間、0.2 kW/m2 の一定電力で発電していると仮定します。

答え

43.8 km2、東京ドームの 876 倍（＊）シリコン： 半導体のケイ素は通常「シリコン（silicon）」と呼ばれる。
「シリコーン樹脂」などの「シリコーン（silicone）」とは異なるものである。
【参考文献】
1) 産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター「トコトンやさしい太陽電池の本」日刊工業新聞社
2）佐藤 勝昭「『太陽電池』のキホン」ソフトバンククリエイティブ
3）一般社団法人太陽光発電協会（JPEA）ホームページ

2007 年 1 月発行

2011 年 4 月発行

http://www.jpea.gr.jp/11basic01.html

4) 産業技術総合研究所 太陽光発電工学研究センター 補足資料

http://unit.aist.go.jp/rcpvt/ci/about̲pv/supplement/EPTdeﬁnition.html

5）産総研 TODAY vol.8 No.1 pp.16-17「太陽光発電の LCA 評価」（2008 年）
http://www.aist.go.jp/aist̲j/aistinfo/aist̲today/vol08̲01/special/p16.html
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2013 年 4 月 発行