宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか | JAXA 有人宇宙技術部門

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宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか

# 宇宙用の太陽電池は地上用のものとどこが違うのですか

ISSで使われる米国のソーラーセル（太陽電池）は、米国のロッキードマーティン社が製造しています。

太陽電池に使われる半導体材料には、シリコン（Si）や、ガリウム砒素※（GaAs）などの化合物があります。現在、主流はシリコンですが、同じシリコンでも製造方法により、単結晶、多結晶、アモルファスがあり、材料によりそれぞれ異なった特長を持っています。

ISSの太陽電池パドル（アメリカ）

宇宙用には劣化が少なく変換効率の高い単結晶シリコンや単結晶化合物（GaAs系統）が使われています。純度については特に地上用と変わるものではありません。地上用では、これらも使われますが、量産しやすい多結晶シリコンやアモルファスも多く使われています。

宇宙用としては、エネルギー変換効率14.3%、単結晶化合物（GaAs系統）系で17%～18%のものが実用化しています。
地上用では、太陽電池内部で入射した光を反射させるなど工夫を凝らして、エネルギー変換効率20%を超える物も開発されています。

電力変換効率という点では、地上用太陽電池の方が優れているものが開発されていますが、これは宇宙と地上では太陽光スペクトルが違うということと、宇宙用太陽電池は電力変換効率だけでなく、耐久性についてもいろいろ工夫がされているからです。

以下に、宇宙用太陽電池に求められる耐久性などについて説明します。

※学術的には砒化ガリウム

#### 熱光学特性

太陽電池は、温度が高くなると発生電力が低下する特性を持っています。地上では空気による放熱ができますが、真空の宇宙空間ではそれができませんので、太陽光のうち発電に必要でない光を吸収しないようにコーティングしたり、放射により熱を逃がす工夫がされています。

#### 耐放射線性

宇宙用太陽電池は、宇宙空間において常に放射線にさらされるため、シリコン結晶基板に欠陥が発生し、それが移動中の電子を捕獲するため、徐々に電気出力が低下するという問題があります。
セルの基板を薄くすると、電子の移動距離が短くなるため、欠陥の影響を受けにくくなり長寿命化することができ、さらに軽量化も図れます。
現在、宇宙用太陽電池には単結晶シリコン系で厚さ50ミクロンのものがあります。しかし、薄くした分だけ光の吸収量が減り、電気出力は下がります。このためエネルギー変換効率の良い、単結晶シリコンや単結晶化合物（GaAs系統）が使われています。

#### 耐環境性

宇宙用太陽電池に限らず、宇宙用部品には民生用とは比べものにならないほど厳しい試験に合格しなければなりません。
打上げから軌道上までの宇宙環境を模擬した、放射線、熱真空、熱サイクル（一定間隔で高温と低温を繰り返す）、振動、衝撃、紫外線などの耐久試験はもちろん、打上げまでの地上環境を模擬した耐湿試験などにも合格しなければなりません。

#### 高信頼性

宇宙では容易に修理/交換ができないので、高い信頼性が必要です。特に太陽電池の故障は衛星の機能全てが失われる可能性があるため信頼性は重要な要素です。
人工衛星の太陽電池パドルは多くの太陽電池セルが敷き詰められていて、影になったり、劣化して発電能力が落ちたセルをバイパスさせることにより、電力損失を押さえるなど工夫がされています。
宇宙用太陽電池は、このような技術で設計/製造されているのです。