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太陽電池の種類

太陽電池の種類

  • 構造がシンプルである。
  • 太陽電池の材料はシリコン系が多い。
  • コストと性能のバランスがよい多結晶型が現在の主流。
  • 太陽電池の種類や組み合わせは多岐にわたる。
  • 高効率化と低コスト化に向け、次世代太陽電池の開発が進んでいる。
太陽電池の種類

概要

太陽電池には、使われる素材や構造によっていろいろな種類があります。現在、普及目的で設置されているほとんどの太陽電池の材料にはシリコン半導体が使用されていますが、化合物半導体を利用した太陽電池なども実用化されつつあります。

太陽電池は大きく分類すると「シリコン系」と「化合物系」に分類できますが、現在の主流はシリコン系です。
さらに、シリコン系の半導体には、結晶系と薄膜系があります。薄膜系は大面積なものを大量に作ることができますが、変換効率や信頼性の面で、まだ結晶系シリコンに劣っています。

参考資料:NEDO太陽電池の種類

種類

シリコン系

シリコンを用いる太陽電池は、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ます。また、その形態から、薄膜型や多接合型などを分別されます。

  • 単結晶シリコン
単結晶

単結晶

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。

  • 多結晶シリコン
多結晶

多結晶

セルが一つの結晶ではなく、複数の結晶粒に分かれているもの。単結晶より変換効率は低いが、安価に製造できる。

  • 微結晶シリコン

比較的新しい技術で、多結晶型の1種とも見れるが、製膜条件によってはアモルファス的な性質も併せ持つ。資源の使用量を削減でき、今後、広範囲な応用が期待されている。

  • アモルファスシリコン(非晶質)
アモルファス

アモルファス

アモルファスシリコンは、直接遷移型の半導体であるために光吸収係数が大きく、薄膜化や大面積化が可能。
使用するシリコン原料が少なく、エネルギーやコスト的にも有利である。

化合物系

製造法や材料の種類が豊富であり、低コスト品から高性能品まで対応できるのが特徴です。また多結晶であるため、大面積化や量産化に向いています。
III-V 族化合物半導体、II-VI 族化合物半導体、カルコパイライト系半導体などありますが、まだ家庭用としては、あまり普及していないので、参考までに。

  • III-V 族化合物半導体(単結晶)

高効率で放射線耐性が優れているため、宇宙用太陽電池として実用化されている。多接合セルの場合、さらに高効率化が実現している。

  • II-VI 族化合物半導体(多結晶)

多結晶薄膜型のセルは製造コストが低いため、第2 世代太陽電池として実用化が始まっていますが、有害なカドミウムを使用しているという欠点があります。

  • カルコパイライト系化合物半導体(多結晶)

CIS(CuInSe2)太陽電池は、変換効率が高く、薄膜で作製できるなどメリットがあり、低コストで量産化が可能で、次世代太陽電池として期待されています。

有機系

製法が簡単で生産コストが低くでき、着色性や柔軟性などを持たせられるなどの特長があります。ただ、変換効率や寿命に課題が残っています。
実用化されれば将来の市場で大きなインパクトが期待されるため、開発が行われています。

  • 色素増感太陽電池
色素増感太陽電池

色素増感太陽電池

有機色素を用いて光起電力を得る太陽電池。製造が簡単で材料も安価なことから大幅な低コスト化が見込まれています。最終的には現在主流の多結晶シリコン太陽電池の半分以下のコストで製造できると言われています。

  • 有機薄膜太陽電池

導電性ポリマーなどを組み合わせた有機薄膜半導体を用いる太陽電池。開発が進めば、色素増感太陽電池よりもさらに構造や製法が簡便になると言われています。課題は、やはり変換効率で、現在の記録は4~7%程度。

量子ドット型

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。
変換効率の理論限界は60%以上と言われていますが、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になり、開発が進められています。

多接合型太陽電池

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り、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。また、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ます。(ハイブリッド型、積層型、タンデム型とも呼ばれています)
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ていますが、実際には光の損失や素子などの問題で、も少し変換効率は低くなります。

CIS太陽電池

CIS太陽電池

  • アモルファスと単結晶

HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)太陽電池は、発電層に単結晶シリコンを用い、半導体の接合部分にアモルファスシリコン薄膜を用いて形成した構造。これにより、量産レベルでの太陽電池の変換効率が19.7%、モジュール効率が17.0%と業界トップレベルの性能を実現しています。

また、HIT 太陽電池は結晶シリコン太陽電池と比べて温度特性が安定しており、夏場の高温時でも高い変換効率を維持し、発電量の低下が少ないなどのメリットがあります。

  • アモルファスと薄膜多結晶

アモルファスシリコンと薄膜多結晶シリコンを1つの基板上に積み重ねて形成した構造を特徴としたハイブリッド太陽電池。
ハイブリッド太陽電池は、両者の長所をうまく生かすことで高い光電変換効率が期待でき、資源・環境面での問題も比較的少ない。

【コラム】

セル1枚の発電電力

標準の状態(放射照度は1000W/m2、分光分布AM1.5、セル温度25℃の条件)では、約10㎝×10㎝1枚のセルで発電できる電力は直流で約 0.5V、3Aです。
電流はセルの面積に、電圧はセルの直列数に比例しますので、セルを必要な大きさに切断し、必要な数、直列に接続すると目的に応じた出力値の太陽電池を構成することができます。


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