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環境用語集

太陽電池【たいようでんち】

太陽電池・太陽光発電業界の最新動向

はじめに、国内の太陽光発電システム市場は、2012年度までは政府の補助政策を受けて、住宅用が牽引してきた。ハウスメーカーがこぞって太陽光発電システム搭載の住宅を販売し、既存向けだけでなく、新築向けでも搭載が増えた。

また、2012年7月に再生可能エネルギー固定価格買取制度が開始されて以降、公共・産業用やメガソーラーなど、中規模から大規模システムの導入が急激に増加している。同制度に基づく設備認定は受けたけれど、まだ、稼働していない案件も多く、今後も市場の拡大が見込まれている。

一方、2015年7月現在、同制度下での再生可能エネルギーの導入量の9割以上を太陽光発電が占めており、2015年度は政府による住宅用の補助金の打ち切りや、太陽光発電の買取価格も抑制されている。

太陽電池・太陽光発電の仕組み・基礎知識

本ページでは、主に太陽電池・太陽光発電システムの基礎知識として、どのように太陽光エネルギーから電気が発生するのか、つくられた電気がどのように住宅内で使われるのか、など、「仕組み」の部分を分かりやすく説明する。より詳しい最近の動向は、">太陽光発電のトップページから各種情報を参照されたい。

太陽電池の発電の仕組み(シリコン系の場合)

太陽電池は、地球に降り注ぐ太陽の光エネルギーを直接電気エネルギーに変える装置で、シリコンなど半導体の電気的特性を利用して作られている。光が当たったときだけ、太陽光の強さ(日射強度)に比例して発電し、発電した電気を蓄える機能は有していない。

太陽電池は、原料として使われる半導体によって様々な種類があるが、大きく分けると「シリコン系」と「化合物系」「有機系」になる。住宅向けなどで主流となっているシリコン系太陽電池は、次のような仕組みで発電する。

シリコン太陽電池は、性質の異なるn型シリコンとp型シリコンの2種類の半導体を重ね合わせた構造をしている。n型シリコンはマイナスの電気を、p型シリコンはプラスの電気を帯びる性質がある。太陽電池に太陽の光が当たると、電子(-)と正孔(+)が発生し、マイナスの電気はn型シリコン側へ、プラスの電気はp型シリコン側へ、引き寄せられて移動する。そこで、n型シリコンとp型シリコンの間に電気的な力の違い(電位差)が生じるため、太陽電池の表面と裏面に電気を取り出すための電極をつけ、電球などをつなぐと電気が流れるようになる。

(出典:JPEA 太陽光発電協会 太陽電池のしくみより
http://www.jpea.gr.jp/knowledge/solarbattery/index.html)

太陽電池モジュールの変換効率

太陽電池の性能は、照射された太陽光エネルギーをどれくらいの割合で電気エネルギーに変えられるのかを示す発電効率で示される。太陽電池素子(セル)を組み込み、製品としてモジュール化した後の変換効率(基準変換効率(%))は下記の計算式で求められる。

基準変換効率(%)
= モジュールの公称最大出力(W)÷ {1セルの全面積(平方メートル)×1モジュールのセル数(個)×放射照度(W/平方メートル)}
※放射照度=1000W/平方メートル

固定価格買取制度の設備認定申請では、太陽光発電普及拡大センター(J-PEC)において型式登録されているものは、それがわかる書類の提出、あるいは、変換効率(日本工業規格C8960において定められた真性変換効率であって、完成品としての太陽光モジュールの数値を元に算定された効率)の記載が求められている。真性変換効率は、上記の計算式において、「1セルの全面積」を「1セルの電極部分を除く全面積(平方メートル)」で求める。

住宅用太陽光発電システムの仕組み

住宅用太陽光発電システムは、光を電気に変えるセル(素子)を組み込み、製品としてパッケージ化した太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールで発電した電気を住宅内で使える電気に変換したり、電力会社との電気のやりとりをしたりするための周辺機器で構成される。

まず、複数の太陽電池モジュールで発電した直流電力は、接続箱に集められてひとつにまとめられる。次に、直流電力を家庭内で使用できる交流電力に変換するためにパワーコンディショナへ送られる。交流電力に変換された電気は分電盤により家庭内の各部屋へ分配されて電力として消費される。また、夜間や曇り・雨などで、太陽電池システムからの電力が足りないときは電力会社の送電網から供給される電力で補われる(買電)。また、消費しきれず余った電力(余剰電力)は、電力会社の送電網を通じて販売(売電)することができる。このような運転の方式を「系統連系」と呼んでいる。太陽電池システムには、買電・売電した電力量を測定するための電力量計や、安全・安定して系統連係するための制御装置なども装備されている。

2012年度の住宅用太陽光発電システムの平均設置容量は4.59kW(新築4.19kW、既築4.75kW)、平均システム価格は1kW当たり46.5万円(新築43.1万円、既築47.9万円)。

年間発電量の目安は1kWシステム当たり約1,000kWh。一般住宅の平均年間消費電力量(5,650kWh/年)でみると、4kWシステムを設置すれば、70%程度の家庭内の電力をまかなえる計算になる。しかし、太陽光発電システムの発電量は、方位や角度などの設置条件や地域等によって異なり、また、配線やパワーコンディショナ等によるロスも発生するため、実際の発電量は太陽電池容量の70~80%程度となる。

参考:「住宅用太陽光発電システム設計・施工指針」「住宅用太陽光発電システム設計・施工指針補足」(住宅用太陽光発電システム施工品質向上委員会)、月刊『環境ビジネス』2010年10月号ほか

太陽電池の種類とその特徴

現在、様々な種類の太陽電池が開発・商品化されている。住宅向けなどで主流になっているのはシリコンを使った太陽電池だが、より低コスト・長寿命の非シリコン系太陽電池の開発も進んでおり、参入メーカーも様々。

民間の調査会社、富士経済の調べによると、2012年の世界太陽電池市場では、出力ベースで結晶シリコン太陽電池の構成比が8割以上を占めている。今後、シリコン使用量の少ない薄膜系が伸長するとみている。シリコンを使わない化合物系のCI(G)S太陽電池の構成比も高まっていくと予測している。

太陽光発電協会(JPEA))の「日本における太陽電池セル・モジュールの出荷統計」によると、2012年度の太陽電池モジュールの出荷量は、シリコン単結晶系が35.1%、シリコン多結晶系が45.8%、シリコン薄膜・その他が19.1%となっている。

日本における四半期ごとの太陽電池モジュールの出荷量推移

(出典:JPEA 太陽光発電協会) http://www.jpea.gr.jp/pdf/statistics/module_detail.pdf

下記に種類別に太陽電池の特徴や参入メーカーをまとめた。

結晶シリコン系太陽電池

最も古くから使われている太陽電池。半導体製造プロセスを用いて作製される。原料となるシリコンを加工して作ったインゴット(シリコン塊)をスライスしたウエハを半導体基板として用いている。結晶型はシリコンの原子が規則正しく整列した状態(結晶状態)にあるため、シリコンの能力を最大限に引き出すことができるといわれている。

単結晶シリコン型太陽電池

サンテックパワー 単結晶シリコン型太陽電池.jpg

最も古くから使われており実績もある太陽電池。高純度のインゴットから作製されており、"原子全体"が整列している状態にある。そのため、変換効率が最も高く、20%前後を達成しているが、シリコンの使用量が多いため高価である。

2010年3月、住宅用太陽光発電システム事業に後発で参入した東芝は、高効率な米サンパワー社製単結晶シリコン型太陽電池を採用した。東芝は、2012年12月に、世界最高となる最大モジュール変換効率20.1%を実現した米サンパワー社製単結晶シリコン系250Wの太陽電池モジュールを採用した太陽光発電システムの販売を開始している。

参入メーカー

シャープ、三洋電機、東芝 など

多結晶シリコン太陽電池

シャープ 多結晶シリコン型太陽電池.jpg

現在、いちばん多く使われている太陽電池。多結晶シリコン型は、直径数mm程度の小さな単結晶が集まっている状態で、表面は大理石のようなまだらの模様となっている。単結晶型よりもシリコン使用量が少ないため、低コストだが変換効率は単結晶型に多少劣る。また、加工しやすく大量生産にも適している。主流となっている多結晶系シリコン太陽電池モジュールの変換効率は15%程度。

参入メーカー

シャープ、京セラ、三菱電機 など

薄膜シリコン太陽電池

シャープ 薄膜太陽電池.jpg

数μm(1000分の1ミリメートル)以下のごく薄いシリコン膜を使った太陽電池の総称。極めて薄いシリコン膜を用いるため、シリコン使用量は結晶型に比べて1/100程度。低コストで生産でき、軽くてフレキシブルなモジュールを作ることができる。大型基板や柔軟性のある基板への利用が可能で、建材一体型太陽電池にも応用されている。課題は低い発電効率で、結晶シリコン型の約半分となっている

参入メーカー

カネカ、シャープ、三洋電機、富士電機、三菱重工 など

また、「薄膜シリコン太陽電池」と呼ばれる太陽電池にも下記のようにいくつか種類がある。

アモルファスシリコン太陽電池

アモルファス(非結晶)とは、原子が規則正しく整列した状態(結晶構造)ではなく、ランダムに結合した状態をいう。非結晶シリコン系太陽電池とも呼ばれる。シリコンをガラス基板などに蒸着させて製造される薄膜シリコン太陽電池。アモルファスシリコンは、薄い膜でも光を吸収できる、結晶シリコンよりも短い波長の可視域の光を利用する。また、主にシリコンと水素原子から構成される材料を用いており、光照射により水素との結合がきれることが原因で劣化することが課題とされてきた。一方、光が弱い環境での効率が高いため、室内など電卓などに利用されてきた。

基板としてはガラスの他にステンレスやフィルムなどが用いられる。ガラス基板を使用すれば厚みが出るが安価で製造でき、ステンレスやフィルムの場合は形状を自由に変えられるという利点がある。また、太陽電池は、モジュール表面の温度が上がると出力が下がるという性質があるが、薄膜シリコン型は高温環境下でも出力が落ちにくく、特に温暖な地域を中心に、メガソーラー用途としても注目されている。

微結晶シリコン太陽電池

結晶シリコン型とアモルファス(非結晶)シリコン型の中間の性質を持つ太陽電池。微細なシリコン結晶を、アモルファスシリコン型と同様に、ガラス基板などに蒸着させる薄膜プロセスで製造する。微細なシリコンの結晶がアモルファスシリコン層に囲まれた構造をしている。可視~近赤外域の光を利用する太陽電池である。

多接合型太陽電池

発電する光の波長帯が異なる太陽電池を組み合わせた太陽電池。複数の太陽電池を積層することで、発電効率を高めることができる。例えば、異なる波長の光で発電する微結晶シリコンとアモルファスシリコンを組み合わせた太陽電池は、2層構造(=タンデム型)にすることで変換効率を向上させている。パナソニックの「HIT太陽電池」もハイブリッド型太陽電池である。

化合物系太陽電池

ソーラーフロンティア 化合物(CIS)系太陽電池.jpg

シリコンを使わずに、複数の化合物を半導体材料として用いた太陽電池。ガラスや金属薄膜などの基板に、真空蒸着などによる薄膜プロセスで作製される。複数の半導体材料を使うため、理論上での変換効率が高く、また、影などの影響も受けにくいため、従来の結晶シリコン系太陽電池より高い発電量が得られるといわれている。また、組み合わせる材料にとって、用途に合わせた性能を得たり、低コストな製造法を選択したりできるというメリットもある。

現在、主流となっているのは、銅(Cu)、インジウム(In)、セレン(Se)を原料とするCIS太陽電池、これにガリウム(Ga)を加えたCIGS太陽電池。また、テルル化カドミウム(CdTe)を使ったCaTe(カドミウムテルル)太陽電池、Ⅲ族のガリウム(Ga)とⅤ族のヒ素(As)を使ったGaAs(ヒ化ガリウム)太陽電池もあるが、有害物質を使用しているため、あまり広まっていない。主にアメリカやヨーロッパで、集光システムと組み合わせて使われることが多い。

しかし、GaAs太陽電池は効率が高く安価に作ることができる。米の太陽光パネルメーカーのファースト・ソーラー社は、CdTe太陽電池を製造し、業績を伸ばしてきた。2013年4月に、CdTe太陽電池でモジュール変換効率16.1%を達成している。なお、ファースト・ソーラー社は、2013年11月に、JX日鉱日石エネルギーと提携し、日本市場に参入することを発表しているが、国内市場に投入するのは結晶シリコン系モジュールである。

GaAs太陽電池以外のⅢ-Ⅴ族系化合物半導体を複数組み合わせた太陽電池の開発が進められている。シャープは、2013年4月、Ⅲ-Ⅴ族系のインジウム、ガリウム、ヒ素を用いた化合物3接合型太陽電池セルで、世界最高となる変換効率37.9%(研究レベル)を達成している。今後、レンズで集光した太陽光を電気に変換する集光型発電システム用や人工衛星などの宇宙用、移動体用などの様々な用途での実用化を目指す考えを示している。

昭和シェル石油の100%子会社のソーラーフロンティアは、独自のCIS薄膜太陽電池を製造・販売している。一方、ホンダの子会社で太陽電池事業を手がけるホンダソルテックが、CIGS薄膜太陽電池を手がけてきたが、2013年10月に、2014年春で事業を終了することを発表している。シリコン価格の下落に伴うシリコン結晶系太陽電池パネルの値下げなどにより、当初の事業計画達成の見込みが立たず、これ以上の事業継続は困難と判断した。

参入メーカー

シャープ、ソーラーフロンティア など

有機系太陽電池

現在、実用化されている太陽電池は、シリコンや化合物半導体材料を用いて半導体プロセスを用いて作製される。そのため、製造プロセスで高温度にしたり、真空装置を用いたりする必要がある。それに対して、有機系太陽電池は、常温・常圧で、有機半導体材料を塗布するプロセスで製造できるため、低コスト化が可能。また、プラスチックや金属などの薄い基板を利用すれば、軽量、柔軟性に富むという特徴を得ることができることから、様々な商品への応用の期待が高まっている。

NEDOは、2013年7月、有機系太陽電池の早期実用化を目的に、色素増感太陽電池を用いた「デザインソーラーランタン」と有機薄膜太陽電池を用いた「発電するサンシェード」を設置し、実証試験を開始している。なお、有機系太陽電池には以下のものがある。

色素増感太陽電池

光を吸収して電子を放出する特長を持つ色素を利用した太陽電池。太陽電池そのものに絵を描いたり、半透明したりできるなどデザイン性に優れ、また、太陽光の入射角や光量にも依存性が少ないことから、建物の壁面や曇りの日に設置した場合でも性能を発揮するなどのメリットがある。また、色や形状の自由度が高い。色では、シアン・マゼンタ・黄色の3原色を使うことで、様々な色を作り出すことが可能。形状においても、好きな形に切り抜いて利用することができ、プラスチック基板では折り曲げることもできる。研究レベルでの変換効率は10%前後。

2013年10月、九州工業大学は、ウシオ電機の協力を得て、完全封止できる円筒型色素増感太陽電池を開発したと発表した。土地単価が高く少ない設置面積が必要とされる集約農業用用途、植物育成のための透光性と発電を両立できる農業用途等、平面型太陽電池では設置が難しい応用用途への展開が期待されている。

参入メーカー(研究開発段階)

シャープ、フジクラ、日本写真印刷、ウシオ電機、ソニー、アイシン精機、グンゼ・大日本印刷 など

有機薄膜太陽電池(有機半導体太陽電池)

導電性ポリマーやフラーレンなど、有機半導体を用いた太陽電池。変換効率や耐久性が課題となっているが、研究レベルでの変換効率は10%を超えている。東レや三菱化学などが実用化に向けた研究開発を進めている。室内のインテリアやおもちゃなどは量産が始まっているものもある。

東レは、2013年9月に、ポリマー有機薄膜太陽電池で、単層素子(実際には2層以上の発電層を重ねる必要がある)としては、世界最高レベルの変換効率10%越となる変換効率を達成したと発表している。2015年近傍の実用化を目指し、一層の材料・素子性能向上を図っていく考えだ。また、三菱化学は、塗布型有機薄膜太陽電池で変換効率11.7%(セルベース)を達成している。

2013年にNEDOが開始した有機系太陽電池の実証試験の助成先の三菱化学は、窓材や建材一体型、車載型といった利用形態を想定し、有機薄膜太陽電池をサンシェードとして使用した屋内実証実験を実施している。

参入メーカー(研究開発段階)

東レ、三菱化学、カネカ、大日本印刷

革新型太陽電池

量子ドット太陽電池

大きさが10nm(10億分の1メートル)程度の微小な半導体の粒子(量子ドット)を発電層に応用した太陽電池。例えば、量子ドットを半導体内に埋め込むことにより新たな帯域を形成し、幅広い波長域の太陽光を電力に変換することを可能とし高効率化を図る。理論上の最大変換効率は、結晶シリコン型の30%程度に対し60%になるとも言われている。実用化は2020年頃になると予測されている。

シャープと東京大学が共同で研究を進めており、2012年3月に、世界最高効率の18.7%の達成とフレキシブルな量子ドット太陽電池の試作に成功したことを発表した。東大の荒川康彦教授は、2011年4月に、量子ドット太陽電池の限界効率が理論上で「75%まで可能」という新しい理論を打ち出している。

また、京都大学は、2013年9月に、量子ドット太陽電池で課題となっていた電圧が低下する原因を突き止め、量子ドットを用いた結晶シリコン太陽電池の高効率化に向けた設計指針を提供している。

参入メーカー(研究開発段階)

シャープ など

球状シリコン太陽電池

直径1mmの球形をした結晶系シリコン太陽電池。太陽電池を低コスト化するために、シリコンを溶融して、直接半導体の結晶粒子を作製、この粒子を基盤に貼り付ける手法を採用している。シリコンの使用量を減らすことができるため、コストの大幅削減につながると期待されている。その他、結晶系シリコンを用いているので変換効率が比較的高く、曲面形状モジュールへの展開が可能、カップ型の反射鏡に組み込むことで変換効率が工場できるなどのメリットがある。

直径1mmの球形をした結晶系シリコン太陽電池。太陽電池を低コスト化するために、シリコンを溶融して、直接半導体の結晶粒子を作製、この粒子を基盤に貼り付ける手法を採用している。シリコンの使用量を減らすことができるため、コストの大幅削減につながると期待されている。その他、結晶系シリコンを用いているので変換効率が比較的高く、曲面形状モジュールへの展開が可能、カップ型の反射鏡に組み込むことで変換効率が工場できるなどのメリットがある。

また、クリーンベンチャー21、フジプレアム、立命館大学高倉・峯元研究室は、球状シリコン太陽電池の開発・事業化に向けて、共同で研究を行っている。クリーンベンチャー21では、2012年4月に球状シリコン太陽電池セルを用いた、スーパーストレート型モジュールと軽量モジュールにおいてTUVの太陽電池モジュールの認証を取得している。

参入メーカー

京セミ、クリーンベンチャー21、フジプレアム など

カーボン太陽電池

炭素で作る太陽電池。筑波大学秋本研究室では、「シリコンのように豊富にある材料を使って、どんな種類の光でも発電できる太陽電池」の材料として、「炭素」に着目する。例えば、シリコン太陽電池が電気に変えられるのは、目に見える可視光線だけ。しかし、炭素の性質を利用して材料を作り出すことで、紫外線、可視光線、赤外線などでも発電できる太陽電池をつくり、それを積み重ねることで、高効率の太陽電池を作製する研究などが進められている。

【関連ページ】
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 → 住宅用の太陽光発電の補助金(自治体別)
 → 産業用の太陽光発電の補助金(自治体別)
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 → 固定価格買取制度とは
 → 余剰電力買取制度とは
 → 太陽光発電メーカー比較(国内メーカー)
 → 太陽光発電メーカー比較(海外メーカー)

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