太陽電池

太陽電池は、光起電力効果を利用して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する電力機器である。主に、太陽光から電力を得る目的で使用される。"電池"と表現されるが、電力を蓄える蓄電機能は持っていない。タイプは大きく分けてシリコン系、化合物系、有機系がある。

1. 用途
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太陽電池の用途と、採用されている理由を以下に挙げる。
電池の交換が不要となる ⇒電卓、腕時計、携帯電話の充電器、懐中電灯、ラジオ
給電線の配線工事が不要となる ⇒道路標識、庭園灯、街路灯、駐車券発行機、自動販売機、太陽熱温水器、カーバッテリーの充電器
系統連系不要で発電できる ⇒海洋や山岳地帯の観測機器、人工衛星、宇宙ステーション、離島、非常用電源など
化石燃料の消費による環境負荷を低減できる ⇒家庭用太陽光発電設備、産業用太陽光発電所、ソーラーカー、ソーラープレーン、太陽熱温水器
長期間使用する場合に電気料金上のメリットが出る ⇒家庭用太陽光発電設備、産業用太陽光発電所

2. 種類
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光吸収層の材料、および素子の形態などにより、多くの種類に分類される。それぞれ異なる特徴を持ち、用途に応じて使い分けられている。

2.1. シリコン系
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シリコンを用いる太陽電池は、a.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シリコンに分類することができる。またそのb.形態の観点から、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。太陽電池に用いられるシリコンの純度、格子欠陥は集積回路用に比べて基準がゆるく、これまでは集積回路用のシリコンが用いられてきたが、太陽電池の生産量が増加するに従い、ソーラーグレードのシリコン材料の供給が望まれてきた。シリコンの高純度化には従来、水素とシリコンを反応させて蒸留して純度を高める化学的な手法が使用されていたが、近年は冶金的な手法により、真空中で電子ビームを照射する事によってシリコン中の不純物の気化精製、凝固精製を行い不純物を除去する事により、純度を高めるプロセスも開発されている。

2.1.1. 材質の観点による分類
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//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半導体基板として利用するもので、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。近年はウエハを薄型化するコスト削減技術の競争が進んでおり、2004年の300µm厚から、2010年には150µm厚に半減すると予想されている。また、ガラス上に非常に薄い多結晶シリコン太陽電池を形成する、CSG]<WtXmlEndTag />

2.2. 量子ドット型
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使用する材料がまだ特定されていない太陽電池として、量子効果を用いた太陽電池が検討されている。第三世代型太陽電池とも呼ばれる。例えばp-i-n構造を有する太陽電池のi層中に大きさが数nm～数10nm程度の量子ドット構造を規則的に並べた構造などが提案されている。この量子ドットの間隔を調整することで、基の半導体の禁制帯中に複数のミニバンドを形成できる。これにより、単接合の太陽電池であっても、異なる波長の光をそれぞれ効率よく電力に変換することが可能になり、変換効率の理論限界は60%以上に拡大する。現在の一般的な半導体プロセスよりもさらに微細な加工プロセスの開発が必要である。2012年6月、東北大学がシリコンを使用した量子ドット型太陽電池で12.6%の変換効率を達成している。

3. 歴史
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1839年、太陽電池の基本原理が発見される。

1884年、最初の発電に成功する。構造は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ある。これにより得られた変換効率はわずか1%ほどであった。この発明は後にセレン光電池として1960年代までカメラの露出計などに広く応用されていたが、シリコン型の普及とともに市場から去っていった。

1954年、結晶シリコン太陽電池が発明される。電力機器としての太陽電池の先駆けとなった。通信機器に用いる電池が熱帯地方での使用に耐えなかったため、その代わりの電源として開発された。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%だった。当初は通信用・宇宙用等が主な用途で、一次電池を用いた世界最初の人工衛星スプートニク1号が21日の寿命しかなかったのに対し、太陽電池を用いた最初の人工衛星ヴァンガード1号は6年以上動作し、その有用性を示している。その後無人灯台など徐々に用途を拡大し、日本でも1960年代に量産が開始された。

1974年、石油ショック以降、電源としての本格的な開発が始まる。開発当初は数W分に過ぎなかった生産量は、2010年時点でその数十億倍に増えている。変換効率の向上と太陽電池の多様化も進み、現在では変換効率40%を超える化合物多接合型太陽電池も開発されている。

4. 原理
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概要 太陽電池に入射した光のエネルギーは、電子によって吸収され、電力として太陽電池の外部へ出力される。詳しくは光起電力効果の項を参照のこと。

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現在一般的な太陽電池は、p型とn型の半導体を接合した構造を持つpn接合型ダイオードである。シリコン系、化合物系の太陽電池がこれに該当する。電子に光のエネルギーを吸収させ、電力として取り出す。これは、発光ダイオードと逆の過程である。large

色素増感太陽電池では、入射光によって、二酸化チタンに吸着された色素中の電子が励起される。この励起された電子を二酸化チタンを介して電極へと導き、電流として取り出す。送り出された電子は外部回路を経由して対向電極に戻り、電極間に挟まれた電解質中のイオンを介して再び色素吸着部へと戻る。

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太陽電池の等価回路は右図のようになる。最も単純なモデルでは抵抗成分を無視して、電流源 とダイオードのみで表される。抵抗成分を無視した太陽電池の暗電流は、 を逆方向飽和電流、qを電気素量、Vを電圧、nを理想ダイオード因子、kをボルツマン定数、Tを温度としてのように表される。ここで n=1 としたものがpn接合の理想I-V特性である。

実際の素子を近似するには、直列抵抗 と並列抵抗 成分も考慮する。直列抵抗成分は素子各部を電流が流れる時の抵抗成分であり、これが低いほど性能が良くなる。並列抵抗はpn接合周辺における漏れ電流などによって生じ、これが高いほど性能が良い。抵抗成分を含めた太陽電池の光照射時の電流-電圧特性は次のように表される。

太陽電池の電圧-電流特性は右図のようになる。光照射時に於いて、端子を開放した時の出力電圧を開放電圧、短絡した時の電流を短絡電流と呼ぶ。また を有効受光面積 で割ったものを短絡電流密度と呼ぶ。最大の出力電力を与える動作点Pmaxを最大出力点と呼ぶ。また を曲線因子と呼ぶ。照射光による入力エネルギーを 100mW/cm2で規格化した測定では、公称変換効率はで与えられる。

太陽電池から効率よく電力を得るには、太陽電池を最大出力点付近で動作させる必要がある。このため大電力用のシステムでは通常、最大電力点追従装置を用いて、日射量や負荷にかかわらず、太陽電池側からみた負荷を常に最適に保つように運転が行われる。

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一般に太陽電池は十分な電圧を確保するため直列接続されるが、直列接続される一部の太陽電池において影などにより出力が低下すると、そこで電流量が制限され、全体の発電量が低下することがある。対策としては、バイパスダイオードを搭載し当該太陽電池を電気的に迂回する方法が挙げられる。また、電圧-電流特性にも変化が現れ、ピークが複数現れることによって、山登り法アルゴリズムを利用する多くのMPPTでは最大出力点に到達できないことがある。これを回避するためには、より複雑な電圧-電流特性に適するアルゴリズムを使用する必要がある。また、MPPTを一括で行わずに複数の単位に区切って個別にMPPT制御を行うのも手である。影の影響は太陽電池の種類によっても異なり、アモルファスシリコンがベストで、次点でCdTe型、その次にバイパスダイオード付き単結晶シリコン型、CIGS型と続きバイパスダイオードのないシリコン型太陽電池が最も悪い。一般に薄膜のものほど影に対する耐性に優れる。

5. その他参考資料
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多接合型太陽電池とは、利用波長の異なる太陽電池を複数積み重ねた太陽電池である。

特徴

太陽光のエネルギーをより無駄なく利用することで変換効率の向上が図れる。
材料の組み合わせによっては、温度特性や必要な資源量を削減するなどの効果も得られる。原理

太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布するが、短波長の光になるほど光子は大きなエネルギーを持ち、より大きな禁制帯幅を超えてキャリアを励起できる。この短波長側の光に対応した禁制帯幅を持つ単接合太陽電池を用いれば、より大きな電圧を得ることが出来、短波長域の光のエネルギーをより効率良く利用できる。しかし禁制帯幅を拡げすぎれば、より長波長の光は素通りして利用されず、出力電流が減少する。
即ちpn接合が1つだけの単接合太陽電池においては、禁制帯幅より大きなエネルギーの光子のエネルギーの一部が無駄になり、禁制帯幅より小さなエネルギーの光子のエネルギーは利用できない。このような兼ね合いから、単接合の太陽電池では禁制帯幅 1.3～1.4 eV付近が最も高い変換効率が得られる。単接合の場合、変換効率の限界は約30%とされる。2005年現在の記録はAM1.5G,1sunにおいて25.1%、AM1.5、255sunsにおいて27.6%である。
ここで、禁制帯幅の異なる複数のpn接合素子を積層し、光の入射側の素子から順に短波長の光を利用して発電し、より長波長の光はより下層の素子で利用する。こうすれば各波長域の光子のエネルギーをより無駄なく取り出すことが出来、かつより長波長まで含めたより多くの光子を利用できる。変換効率は最終的に取り出せる電力で決まるため、単接合の場合に比べてより高い効率が得られる。
理論的には無限に接合を増やせば約86%の変換効率になると計算されるが、実際には上層の素子を通過する際の光の損失や素子間の電流の整合の問題で、それより低くなる。2012年現在の記録は3接合セルで得られている。4接合、5接合のセルも研究されている。応用

GaInP/GaAs/Geの3接合セルで30%を超える効率が得られ、主に宇宙用に用いられている。2012年5月の時点で、シャープがInGaP、GaAs、InGaAsの集光型化合物3接合セルで43.5%を達成している。
民生品では、微結晶シリコンとアモルファスシリコンを積層したものや、通常のa-Siと禁制帯幅の異なるa-SiCやa-SiGeを積層したものなどが開発・実用化されている。アモルファスシリコンは禁制帯幅が広く、利用波長域が結晶シリコンと異なるため、同一元素同士でも多接合太陽電池を形成できる。このようにすることで効率だけでなく、温度・光強度に対する特性や最終的な資源の消費量の面でも優れた製品が市販されている。large

太陽電池モジュールは条件によっては日光によって温度が60～80℃にも達することがあるが、太陽電池では温度が上昇することで出力が低下する現象が見られることがある。これは高温において禁制帯幅が減少することで出力電圧が低下するためである。エネルギーギャップの大きいアモルファスシリコンや一部化合物系の太陽電池では電圧低下の影響が少ないため、モジュールが高温になる地域では有利になる。一方、高温になると光吸収係数が大きくなることで電流が増加する効果も発生するが、結晶シリコンでは通常この効果は小さい。このほか、上部に2枚以上の偏光板を回転させて日光量を調節し温度抑制あるいは出力調整をする方法がある。

温度係数は結晶シリコンにおいては通常-0.45%/℃前後であり、これは70℃において基準温度に対して約2割の出力低下になる。
アモルファスシリコンにおいては禁制帯幅が1.75eVと大きいため、温度による効率低下は少ない。アモルファスシリコンを結晶シリコン等と積層することで、変換効率を単結晶シリコン並の20%前後にしつつ、温度係数を-0.2～-0.3%/℃程度に抑えることが出来、内外の企業によって実用化されている。
GaAsでは温度係数は-0.2～-0.3%/℃である。
CIS系など一部の太陽電池では、ある程度温度が上がることで光や放射線による劣化がアニーリング効果によって回復する性質がある。
人工衛星用など宇宙用の太陽電池モジュールでは、使用時の温度が-100℃～+120℃程度の範囲で軌道周回に伴って頻繁に変化するのに対応して、熱サイクルによる疲労などに配慮した製品が用いられる。large

アモルファスシリコンは強い光の照射によってシリコンのダングリングボンドが増加し、導電率が劣化する性質を持つ。これはステブラー・ロンスキー効果と呼ばれ、欠陥密度の増加によって素子内でのキャリアの移動を阻害し、太陽電池の性能の劣化を招く。これに対しては、下記のような対策が取られる。

アモルファスシリコンの製膜工程を改良し、関連する不純物の含有量を最適化する
光閉じ込めを利用して膜厚を薄くする。これによって空乏層内の電場が大きくなり、キャリアの移動が阻害されにくくなる。
多接合化して光の利用効率を高めると共に、個々の空乏層を薄くする。
紫外線が特に問題になる場合は、モジュールの保護層で遮断する。こうした対策技術の開発により、現在は屋外用にも長寿命のものが実用化されている。

なお、光照射によって増加した欠陥密度は、光照射が続くと飽和する。また、熱が加わることで時間と共に減少する。一般に屋外用の製品においては、使用開始時に性能が数% - 10数%程度低下する現象が見られるが、その後は安定する。カタログ性能値には初期劣化後の値が用いられる。

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従来の太陽電池が単結晶、多結晶、あるいはシリコンや化合物系半導体を問わずインゴットからワイヤソー等で切り出していたため、材料の無駄が少なくなかった。そのため、毛細管現象を利用して坩堝から帯状のシリコンを引き上げたりアモルファス半導体やCIS系半導体等の薄膜太陽電池の開発が行われてきた。近年では基板上に結晶を成長させて剥がす方法も実用化の域に達しつつある。従来は変換効率において従来の製法による物と比較して劣るものが少なくなかったが、近年はプロセスの改良により改善されつつある。

6. ギャラリー
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7. 関連項目
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新エネルギー
再生可能エネルギー
太陽光
太陽光発電
太陽熱発電
太陽熱温水器
エネルギー変換効率
電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法 - RPS制度について
ソーラーカー
ソーラープレーン
ソーラーアーク - パナソニックの太陽光発電施設。
IEEEマイルストーン
光触媒、本多-藤嶋効果
透明導電膜
反射防止膜
プラズモニック太陽電池
人工光合成

8. 脚注
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8.1. 出典
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9. 参考文献
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小長井誠「薄膜太陽電池の基礎と応用」ISBN 4-274-94263-5
山田興一・小宮山宏「太陽光発電工学」ISBN 4-8222-8148-5
浜川圭弘・桑野幸徳「太陽エネルギー工学」ISBN 4-563-03603-X
エイモリー・B・ロビンス「スモール・イズ・プロフィタブル  」ISBN 4-87973-294-X
太陽電池に関する入門書 太和田喜久「太陽光が育くむ地球のエネルギー」ISBN 4872593030
太陽電池に関する専門書 岡本 博明・太和田 善久「薄膜シリコン系太陽電池の最新技術」ISBN 4781301347

10. 外部リンク
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解説サイト
[1] 産業技術総合研究所太陽光発電研究センター
[2] 産業技術総合研究所太陽光発電研究センター
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[5]}}  関連団体
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