オーストラリア内陸で日射量が多く、極エネルギー供給、電力供給地は少なくなっています。日本は南北に3.4.2 太陽光発電

細長く四季の変化が大きいので、日射量太陽電池は、金属の表面に波長の短い光を当てると電子が飛び出す現象を利用しています。電池の材料には数種類があり、変換効率に差があります。太陽光発電の設備は、主に太陽電池を組み込んだモジュールと、直流を交流に変換するパワーコンディショナーで構成されています。建築物の屋根に設置する形態と地上設置があり、大規模な地上設置のメガソーラーが総出力の約 7 割を占めています。

は場所と季節により大きな差があります。
日本の平均日射量は 1 日当たり 2900kcal／㎡で、最大日射量（5 月）は 4100kcal／㎡、最小日射量（12 月）は 1500kcal／㎡です。ちなみに、サハラの日射量は平均で約 5800 kcal／㎡という報告があります。

2．太陽光発電の原理
１．日本の日射量
太陽電池の原理は、金属の表面に波長の短い光
太陽と風と水の流れは、どこにでもある自然のを当てると電子が飛び出す光電効果で、太陽の光エネルギーですから、人類は古くから生活に利用エネルギーを直接電気エネルギーに変換します。

してきました。光は室内に取り入れて明かりにし、一般的な太陽電池は、図 1 のように電気的性質の熱は農産物や水産物の乾燥に使ってきました。こ異なるｎ型半導体と、p 型半導体を貼り合わせた

うしたあるがままの利用ではなく、光を科学技術接合体です。n 型半導体は電子が 1 個余剰の形をで電力に変換して利用するのが太陽光発電です。

しており、p 型半導体は電子が 1 個不足した形（正地球に到達した太陽エネルギーは、約 3 割が上空孔）をしています。表面に光が当たると、プラスとで宇宙空間に反射されてしまいます。しかし５割マイナスを持った粒子（正孔と電子）が発生し、マは直射光として地表に到達し、2 割は散乱光としイナスの電気は n 型半導体の方へ、プラスの電気て熱になります。人類が全世界で使用するエネル

は p 型半導体の方に移動します。したがって、両ギーの量は、地球の陸地表面が太陽から受けるエネルギーの 0.01％以下です。
太陽光は波長によりエネルギー強度が異なり、紫外線（波長が 0.39μｍ以下）の強度が全強度の約 8％、可視光線（波長が 0.39～0.77μｍ）が約 46％、赤外線（波長が 0.77μｍ以上）が約 46％です。太陽のエネルギーを利用するには、直射光の利用が最も高効率です。しかし、日本は直射光が少ないので、太陽エネルギーの利用に適している国とはいえません。世界的に見ると、沿岸地域より内陸に寄っ図 1．太陽電池の原理

たサハラ・コロラド砂漠、中央アジア、1

出典： NEDO 再生可能エネルギー技術白書

電極を導線で接続すれば電流が流れます。発生し3.1 シリコン系単結晶た電流は直流なので、インバーターで交流電流に変換して利用します。

シリコン系単結晶は高純度のシリコンを使用し、変換効率が高いのですがコストも高いのが難点で実用的な太陽電池は、1953 年にアメリカのベルす。製法の第 1 段階では、軸方向が無秩序な多結研究所で Pearson らが単結晶シリコンを使用した晶のシリコンを、円筒形のルツボで約 1420℃に加電池を開発したのが始まりです。太陽電池は使用熱して溶融します。次に液面に種結晶シリコン棒原料の面から、大きくシリコン系、化合物系、有機をつけて回転させながら徐々に引き上げると、軸物系に分けられます。主力はシリコン系で全体の方向が均一な単結晶のインゴットが得られます。

90%を占めますが、シリコンは高価なので使用量これを薄くスライスして、円盤状のウエハを作りをなるべく少なくした製法を採用しています。化ます。このウエハを縦横 10 センチから 15 センチ合物や有機物など、シリコン以外の原料を使う開程度にカットしたのが、太陽電池を構成する最小発も進められています。

単位のセルになります。シリコンの純度は、11 ナイン（電子機器グレード）は必要なく、6 ナイン程3．太陽電池の種類と製法および特徴度（ソーラーグレード）で十分です。6 ナイン純度とは、99.9999％の意味です。シリカは地球上に豊太陽電池を原料で分類すると表１になります。

富にありますが、純度の高いシリコンを得るのは変換効率は太陽光エネルギーを電気エネルギーに必ずしも容易ではありません。電子機器用と競合変換できる割合で、容易に大きくできないのは太し、品薄になると値段が高騰しやすいので、ウエ陽光が電池（セル）の表面で反射するだけでなく、ハの厚さを薄くして（200～160μｍ）シリコン使セル内部でも十分に吸収されないからです。太陽用量を減らす努力が進められています。

電池のうち、一般的に使用されているシリコン系
3.2 シリコン系多結晶の製法と特徴は下記のようになります。
表１.

太陽電池の種類

原料の系統

変換効率

特徴

単結晶

18～23％

高純度シリコン使用、豊富な使用実績

多結晶

13～18％

単結晶より安価だが変換効率が低い

ハイブリッド HIT

15～22％

高効率、高温時の効率低下少アモルファス

5～11％

低温製造プロセス、原料制約が少ないシリカからタンデム型

10～12％

高効率で低コスト、原料使用量少ない製造する。

トリプル型

11～13％

高効率・省原料・低コスト

シリコン系

結晶系

注：
シリコンは化合物系

有機系

薄膜系

内容

Ⅲ－Ⅴ族

GaAs 型、InP 型

Ⅱ－Ⅵ族

CdTe 型

13～16％

原料使用量が少ない、原料 Cd に懸念

ｶﾙｺﾊﾟｲﾗｲﾄ系

CI(G)S 型

10～13％

製造工程が簡単、高性能が期待できる～25％

高価・高効率、宇宙開発に使用

色素増感

5～8％

発展性がある

有機化合物～5％

今後の課題である

2

多結晶のシリコン粒を粉砕して約 1400℃で溶層の 3 層構造にし、変換効率を高めた製品です。

融し、再固化してインゴットを作り、ブロックにシリコンの使用量が少なくコストが安いです。

切断してからスライスしてウエハを作ります。電4．太陽光発電のパネル（モジュール）

子機器用半導体の製造段階で発生する端材も原料に使えるので、不良品の再利用もできます。単結太陽電池のセルは 10cm、12.5cm、15cm の角型晶系よりは変換効率が低いですが、コストが安く原料の主力を占めています。

または丸型の薄い板で、最小限の電池機能を持っています。このセルを図 2 のように接続して出力3.3 シリコン結晶系ハイブリッド HITを高め、ガラスや樹脂の枠で強度を確保したのが(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）

電池モジュールで、設置の最小単位になります。

n 型の結晶シリコン基板の両面に数十 nm（ナノ太陽電池モジュールを直列に接続したものを太陽メーター : 1000 分の 1 ミクロン）厚のアモルファスシリコンを積層し、1 面に i 型半導体層と p 型半導体層、反対面に i 型半導体層と n 型半導体層を堆積させて接合します。電池表面の発電ロスを抑えて高出力、高変換効率を達成しています。
3.4 薄膜系アモルファス基盤にアモルファス（非晶質）シリコンや結晶シリコンを蒸着させ、膜厚 1μm 程度のシリコン薄膜を作ります。原料の制約は少ないのですが、

図 2．セルの接続形態短波長側にのみ感度があるので、結晶系のように変換効率を上げることができません。膜の条件に電池ストリングよりアモルファスになったり、微結晶になったりと呼びます。スします。基板の選択範囲が広く、薄いので半透明トリングを並列製品も作れます。温度による出力低下や、夏場でに接続して大きの変換効率低下が少ないのが特徴です。

な電力が得られるようにし、架3.5 薄膜系タンデム台に並べたのがアモルファス型に微結晶シリコンを積層した 2太陽電池アレイ層構造です。アモルファスシリコンが太陽光の短です。家庭用の波長側を吸収し、微結晶シリコンが長波長側を吸アレイには平板収して、両者を合わせて変換効率を上げています。

状に並べた屋根シリコンの使用量が結晶系の約 1/100 なので、製置き型と、屋根造コストが安いのが特徴です。の形状に加工した屋根材型があ3.6 薄膜系トリプルります。

アモルファスシリコン 2 層と微結晶シリコン 13

図 3．モジュールの外観

図 4．太陽光発電設備の構成

出典：NEDO 再生可能エネルギー技術白書

時間帯によって発電量が需要を上回る場合に蓄電

５．太陽光発電設備の構成し、下回る場合に使うことができます。停電時や災害時の電力確保にも有益ですが、現状では家庭太陽光発電の設備構成を図 4 に示します。左に用も産業用も費用が高いのが普及を妨げています。

示すのが太陽光発電のアレイで、接続箱はアレイ

６．太陽光発電の系統連携形態に必要な枚数の太陽電池モジュールをつなぐための機器です。ストリング間に電圧差が発生したときの逆流防止ダイオード、雷ノイズを吸収するた

太陽電池の系統連携形態は表 2 に示す種類があめのサージアブソーバ、保守点検時の直流側開閉ります。独立型は送配電会社の配電網と接続せず器などが内蔵されています。に単独で運用する形態で、蓄電池と組み合わせて街路灯や道路標識に使われています。系統連携型

パワーコンディショナーは、太陽電池で得られは、送配電会社の配電網と接続して使用する形態

る直流電力を一般の電気器具で使用可能な交流電です。電力が不足する時には購入し、余剰の場合力に変換する機器です。外部の商用電源である系には売電する常時連携方式と、不足する時に購入統側との連系運転や、自動運転に必要な保護と制するだけで余剰でも売電しない方式があります。

御機能も備えています。外部電源が停電しても、送配電会社に売電する場合の送電は、逆潮流といスイッチの切り替で専用のコンセントからいます。

AC100V の電力が得られる自立運転機能もありま

７．太陽光発電の設置形態

す。パワーコンディショナーの出力は住宅用で10kW 未満、産業施設や事業用は 1 ユニットが 10

太陽光発電の設置には、主に表 3 に示す 3 種類～100kW です。蓄電池は電力貯蔵装置ですから、4表 2.

太陽光発電の系統連携形態

連系の方式タイプ
独立型

連系方式
送配電会社の系統と連系せず、太陽光発電で発電した電力のみ使用。安定した電力を確保するため、余剰時の電力を蓄電池に貯めて必要に応じて使用。
（適用例：街路灯、無線機、時計、道路標識）

系

系統切り替え型

統連系

状況に応じて送配電会社の系統と接続したり、切り離したりして運転する。蓄電池と組み合わせると供給が安定する。（適用例：防災用）

常時連系型

太陽光発電で発電した電力を負荷側に供給するとともに、余剰電力を送配電会社に逆潮流あり型売電する。（適用例：家庭用、業務用、産業用、公共施設用）
余剰電力ではなく、発生電力の全量を売電する場合もある（事業用）。

常時連携型

太陽光発電で発電した電力を負荷側に供給するだけで、余剰電力は送配電会社の系

逆潮流なし

統に逆潮流させない自家消費用。（適用例：家庭用、業務用）

表 3．太陽光発電の設置形態
設置形態

特徴

電池の種類

屋根置き型

既設の住宅や建築物の屋根に設置する。屋根には太陽電池パネル

結晶シリコン系の重量に耐えられる強度と、専用の架台が必要。モジュールには耐久性のあるガラス基板が使用される。設置面積が限られるので、高い変換効率（発電効率）が求められる。
屋根材型

一戸建て住宅用の屋根材を兼ねて設置する。架台が不要なので屋根面積を無駄なく利用でき、デザイン性にも優れている。住宅の建設と同時に施工できるので、屋根置き型より低コスト。設置角度が屋根の角度と同じなので、変換効率が低くなる傾向がある。

地上設置型

平地に設置する。発電規模の大きいメガソーラー（出力 1000kW結晶シリコン系以上）に多い。設置面積の制約が緩いので、変換効率(発電効率)よ薄膜シリコン系りも費用対効果が重視される。ガラス基板が一般的。
建物一体型住宅の屋根や外壁材と一体化したモジュールを使用。デザインと薄膜シリコン系の整合性が求められる。壁面設置の場合は曲面にも施工が可能な化合物系フレキシブルな基盤が使用される。採光性や遮光性も評価の対象。の形態があります。一戸建て住宅の屋根に設置すンディショナーを出た交流電力は、分電盤で宅内る場合は、通常、「常時連系型・逆潮流あり」にな使用分が内部負荷に供給され、余剰分が売電用メります。典型的な形態は図５に示す方式で、太陽ーターを経て送配電会社の系統に送り出されます。

電池で発電した直流電力が接続箱に送られます。

図 6 には蓄電池が記載されていますが、必須では接続箱では直流電力を 1 本に集め、パワーコンデありません。

ィショナーに送って交流に変換します。パワーコ
5一方、事業者が地上に設置する売電用の太陽光発電は、設置面積に応じて多様な規模が存在します。メガソーラーと呼ばれる1000kW 以上の規模が多く、例えば東京電力が設置した扇島太陽光発電所は 13,000kW の出力です。敷地は 23 ヘクタールで 64,000 枚のパネル（モジュール）を使用しています。

8．太陽光発電の設置状況
図６に 1993 年から 2016 年までの、日本の太陽光発電設置状況を示します。2016 年で
図５．一戸建て住宅用の太陽光発電形態

出力の合計は 4229 万 kW（42.3GW）で、こ出典：三菱電機㈱PR 資料のうちの約 3 割に相当する 1229kW が一戸建て住宅の太陽光発電です。残る 7 割は、出力が 10kW 以上の主に事業用発電です。2012 年以

７．太陽光発電の出力降に大幅に増加したのは、発生電力の固定価格買取り制度が発足し、収益性が保証されたからです。

太陽光発電には、個人が一戸建て住宅の屋根に2016 年度の電力量の合計は 320 億 kW 時で、設置する 10kW 未満と、事業者が地上に設置する全電力需要の約 3.3％を担っています。出力規模に10kW 以上の 2 種類があります。1 枚のモジュー比べて発電量が少ないのは、夜間には発電せず、ルは出力が約 200～250W、面積は 1.2～2 ㎡、重雨天や曇天時には出力が大幅に低下するからです。

量は概ね 15～18kg です。したがって、一戸建て設備利用率（稼働率に相当）は、火力発電が約 60

住宅の太陽光発電は、屋根面積の制約から 15～30～80％に対して太陽光発電は 12～14％です。

枚のモジュールを使う 3～6kW の出力が多いです。
海外の状況は、全出力が 2016 年の時点で 303GW です。このうち中国が 25.8％、ドイツが 13.6％、アメリカが 13.3％で、日本の比率は 14.1％です。太陽光発電
は、地球温暖化の抑制と原子力発電のリスク回避の両面から多くの国々が出力の増加を進めています。2030 年頃には現状より大幅な拡大が実現しているでしょう。

（おわり）

参考：再生可能エネルギー技術白書（NEDO）、他
図６. 日本の太陽光発電状況

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