太陽電池とは？仕組み・種類・特徴を徹底解説

太陽電池とは、太陽の光エネルギーを直接電気に変換するデバイスのこと指し、半導体の技術が応用されています。

近年、再生可能エネルギーへの関心が高まる中で、太陽電池による太陽光発電はクリーンで持続可能なエネルギー源として注目されています。

本記事では、太陽電池の基本的な仕組みや種類、特徴について詳しく解説します。

太陽電池の仕組み

太陽光発電は、太陽の光エネルギーを利用して電気を生成する技術です。

発電をする太陽電池は、電気的な性質が異なるp型半導体とn型半導体が使われています。これらの半導体を重ね合わせる（pn接合する）ことで、光エネルギーが加わったときに電子と正孔が生成され、これが電流の流れを生む仕組みとなります。これを光起電力効果と呼びます。この効果により、光エネルギーが電気エネルギーに直接変換されます。

太陽電池による発電は、次の流れで行われます。

太陽光の吸収

太陽光パネルが太陽光の光エネルギーを吸収します。

電子の励起

吸収された光エネルギーにより、半導体材料内の電子が励起されます。これにより、自由に動ける伝導電子と正孔が生成されます。

電子と正孔の分離

太陽電池内部のpn接合によって形成された内部電界により、励起された電子と正孔が分離されます。電子はn型半導体側へ、正孔はp型半導体側へ移動します。

電流の発生

この電子と正孔の移動により、電流が発生します。

太陽電池の種類

太陽電池は主に以下の3つの大きな分類に分けられます。

シリコン系太陽電池

• 単結晶シリコン：高純度シリコンを使用し、変換効率が高く（～20%）、信頼性も高いが、高価です。
• 多結晶シリコン：小さい結晶が集まった構造で、単結晶より低コストで、現在最も普及しています。変換効率は～15%です。
• アモルファスシリコン：結晶化していないシリコンを使用し、低コストですが、変換効率も低く（～9%）なっています。

化合物半導体系太陽電池

• CIGS：銅、インジウム、セレンにガリウムを加えたCIGSは、低コストで比較的良い変換効率（～13%）を持ちます。
• CdTe：カドミウムとテルルを原材料とし、主に欧米で普及しています。変換効率は～11%です。
• GaAs：ガリウムとヒ素を使用し、高効率（25%程度）ですが高価で、主に人工衛星などに使用されます。

有機系太陽電池

• 有機薄膜：有機半導体を材料とし、製造コストが安いですが、変換効率は低め（～8%）です。
• 色素増感：低価格な材料で製造可能ですが、製品寿命などに課題があります。変換効率は～11%です。
• ペロブスカイト：「ペロブスカイト」と呼ばれる結晶構造の材料を使った新しい種類の太陽電池で、次世代の太陽電池として注目されています。

太陽電池の特徴

太陽電池による発電には、次のような特徴があります。

• 環境に優しい
  化石燃料を使用せず、発電時にCO2を排出しないため、地球温暖化対策になります。
• 電気代の節約
  発電した電力を自家消費することで電力会社からの電気購入量を削減でき、電気代を節約できます。
• 売電による収益
  余った電力を電力会社に売ることで収益を得ることができます。
• 災害時の電力確保
  非常用電源として活用でき、停電時でも一定の電力供給が可能です。
• 初期投資が高い
  パネルやインバーターの設置に多額の費用がかかるため、導入コストがネックになります。
• 天候に左右される
  発電量が天候に依存し、日照時間が短い地域や曇り・雨の日には効率が低下します。
• 設置スペースの確保が必要
  十分な発電量を得るためには広い設置面積が必要です。

まとめ

太陽電池は半導体の技術を応用して、光エネルギーを電気エネルギーに変換しています。

太陽光発電は環境に優しい再生可能エネルギーとして注目されており、発電の仕組みを理解することで環境に対する意識を持つことができます。

多くの人が太陽光発電を活用することで、電気代の削減や、持続可能なエネルギー社会に貢献することができるでしょう。