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太陽電池とは:太陽光発電の基礎知識2

太陽光発電の基礎知識

更新日:2019年10月9日(初回投稿)
著者:イー・エムケー・ワン協会 代表 小西 正暉

前回は、地球温暖化を救う具体的な方策としての太陽光発電を紹介しました。今回は、太陽電池を取り上げます。太陽電池は、光を電気に変える魔法の板です。まずは、膨大な太陽のエネルギーと太陽電池の関係、太陽電池の性能を示す光電変換効率を紹介します。次に、代表的な太陽電池の種類と特徴について述べ、最後に、世界で最も多く使用されているシリコン系太陽電池と、最近話題のペロブスカイト太陽電池について概説します。

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1. 太陽光のエネルギーは膨大

太陽のエネルギーは、太陽中心部の水素原子が、ヘリウム原子に変わる核融合反応から発生する核エネルギーです。非常に短い波長から長い波長までの、さまざまな電磁波として地球に届きます。太陽から届く目に見える光(可視光)も電磁波の一種です。

地球に届く太陽のエネルギー量は膨大で、世界中の人々が使う1年分のエネルギー量が、たったの1時間30分で賄えます。次のような試算もあります。現状の技術レベルの太陽電池を、中国とモンゴルにまたがるゴビ砂漠に設置できたと仮定すると、それだけで世界中の電力の需要を賄うことができます。

2. 太陽光と太陽電池

太陽電池は、可視光だけでなく、赤外線や紫外線など目に見えない光も含めた光を、電気に変換する光電変換装置です。この光電変換能力は、波長によって異なります。また、太陽電池の種類によっても、発電できる波長が異なります。以下に、太陽電池の代表的な材料であるシリコンの光感度と、太陽の日射強度の関係を示します。シリコンの光感度は青色で、太陽の日射強度は赤色で表します(図1)。

図1:太陽光の日射強度とシリコン太陽電池の光感度

図1:太陽光の日射強度とシリコン太陽電池の光感度(出典:東北大学エネルギー講座、湯上/井口研究室

太陽電池の性能は、光電変換効率(光を電気に変換できる値)で表し、以下の式で算出できます。

光電変換効率(%)=(出力電気エネルギー/入射する太陽の光エネルギー)×100

太陽の光の量(日射量)と生み出される電気の量(発電量)は比例関係にあり、太陽の光が垂直に入射するとき、発電量は最大となります。ただし、太陽は常に動いています。時間や季節によって入射角度が異なると、出力される電気量も異なります。以下に、東京でさまざまな方角、および角度に設置された太陽電池の、1年間の発電量を示します(図2)。

図2:太陽電池の設置角度と実効的な発電量の関係

図2:太陽電池の設置角度と実効的な発電量の関係(出典:太陽光発電協会

3. 太陽電池の種類

現在の太陽電池は、1953年に米国ベル研究所のG.L.ピアソン(G.L. Pearson)らによって開発された、単結晶シリコンを使った太陽電池を原型としています。その後、多くの技術者によってさまざまな太陽電池が開発されました(図3)。現在、実際に使われている太陽電池の大半(約90%)は、シリコン系太陽電池です。

図3:主な太陽電池の材料による分類

図3:主な太陽電池の材料による分類(出典:産業技術総合研究所太陽光発電研究センター

光を電気に変換する太陽電池の最も注目される性能は、光電変換効率です。図4に、各種太陽電池の光電変換効率の推移を示します。

図4:研究段階の太陽電池光電変換効率トップデータ推移

図4:研究段階の太陽電池光電変換効率トップデータ推移(作成NREL/National Renewable Energy Laboratory)(出典:米国NREL(National Renewable Energy Laboratory)

どの太陽電池も、日々たゆまない研究がなされていることがうかがえます。特に注目すべきは、最近デビューしたペロブスカイト太陽電池です。短期間で、著しい変換効率の改良がなされています。

4. シリコン系太陽電池

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

5. ペロブスカイト太陽電池

保管用PDFに掲載中。ぜひ、下記よりダウンロードして、ご覧ください。

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