単重シリコン太陽電池と太陽光発電のメリット

様々な種類の太陽電池の中で、最も古い歴史と実績のある太陽電池が単結晶シリコン太陽電池です。単結晶であるということは、シリコン原子が固体中の全体に3次元的に規則正しく並んだ状態であることで、材料としてのシリコンが最大限の能力を発揮できる状態といえます。
こうしたことから、現在実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン太陽電池が最も高い変換効率を示します。

この太陽電池は、パソコンで使われているメモリやCPUといった、原材料と同じように単結晶シリコンのウエハから作られるのもので、製造方法も一般的な半導体製造技術との共通部分が多くあります。
しかし、高純度な単結晶のシリコンウエハは高価です。太陽光発電の普及のためには、太陽電池の低コスト化がとても重要です。そこで、太陽電池用のシリコンウエハは、用のシリコンほど高純度である必要性がないことから、ソーラーグレードシリコンと呼ばれる安価な材料を元に作られています。

シリコンウエハは、種結晶シリコンを元に高温で形成した円柱状の単結晶シリコンインゴットを、厚さ200叩程度に薄くスライスすることで作製されます。通常は、電子の拡散長が長くてより大きな光電流を取り出せるという理由で、p型のシリコンウエハが用いられますが、n型が用いられる場合もあります。p型シリコンウエハの表面から、リンを拡散させて薄く、型層を形成し、次に集電用表面電極と反射防止膜、裏面全体に電
極を形成したものが、図に示す最も基本的な太陽電池の構造となります。実際に使われる太陽電池では、この基本構造に各種機能を果たす層を追加して、より高い効率とするための様々な工夫がされています。写真は単結晶シリコン太陽電池の一例で、表面は黒っぽく無地で、形状は擬似正方形をしています。白くし型に見えるものは、表面電極です。
太陽光発電メリット・デメリット

建て替え、引っ越しの際は 設置環境を要チェック

太陽光発電の(太陽光発電とは?)家のリフォームで屋根の修理や塗り替えをするときは、太陽電池、架台、取り付け金具を外す必要がありますが、いったん外しても、再度設置することができます。その際、太陽電池、パワーコンディショナ、接続箱はそのまま利用できますが、配線関係の部材は新しくしましょう。
建て替える場合は、システムの能力を充分発揮できるよう、屋根の方角や角度、太陽電池の設置面積などを検討して設計しましょう

引っ越しの場合は、まず、個人所有の一軒家であることや、屋根材が設置に適していること、モジュールを載せる広さが確保でき、かつ太陽光発電に適した方角であることなどを確認します。
太陽光の反射がご近所の迷惑にならないとも限らないので、事前に話をしておくことも大切です。
また、同じ太陽電池を使用しても、周辺環境が変わると移転後の発電量も変化します。新たにデータを取り直しましょう。
移転先が同じ電力会社の管轄内であれば、それまでの契約が保持されますが、管轄外の場合は、新たな契約手続きを行う必要があります。
太陽光発電 メリット・デメリット

今後期待されるリユース、リサイワル

移転先で使えなくなった太陽電池は、産業廃棄物として処理することになりますが、ガラス、金属、シリコンなどは、リサイクルできるよう開発が進められています。
また、若干ではありますが、モジュールのリサイクル業者による中古品の売買も行われています。
ただし、一部に経年劣化がみられるという調査報告もあり、購入の際には注意が必要です。

近未来の太陽電池と太陽光発電のデメリット

単一の材料で作られた太陽電池の中でこれまでに報告されている最も高い変換効率はシリコンです。そのため、変換効率100%の太陽電池を作るのは極めて難しいと考えられます。

変換効率の理論的な限界値(理論限界効率)は、基本的に半導体のバンドギャップにより決まります。理論効率は計算法により多少変化しますが、バンドギャップ叫或付近で最大になります。これは、バンドギャップによる開放電圧と短絡電流密度の変化により説明されます。バンドギャップが小さい時は、光吸収が広い波長範囲で起こるために短絡電流密度は増加しますが、開放電圧はフエルミレベルの差が小さくなるために減少します。逆にバンドギャップが大きい場合は、開放電圧は増加しますが、光吸収が小さいために短絡電流は減少します。この両者のバランスにより、変換効率はバンドギャップ付近で最大になります。

変換効率の低下には様々な要因がありますが、光の反射・透過による損失と光エネルギーの損失が最も大きく、これにより理論限界効率は釦%程度まで減少します。光エネルギーの損失は、どんなに光のエネルギーが高くても、バンドギャップに相当するエネルギーしか電気に変換されないことによって起こります。また通常は、光反射を抑制するため、太陽電池の受光面には反射防止膜をつけます。

もし半導体内に欠陥があると、電子と正孔はそこで再結合を起こし、変換効率は低下します。電子と正孔の再結合は、半導体の表面と裏面でも起こるため、この再結合を抑制する層を形成することもあります。実際の太陽電池では、これらの要因による変換効率の低下を防ぐために様々な措置が取られています。さらなる高効率を得るためには、異なるバンドギャップをもつ複数の太陽電池構造を組み合わせた多接合と呼ばれる構造が必要になります。
太陽光発電長所短所

太陽光発電の利点

海外メーカーの場合はカントリーリスクの問題もあります。
例えば、先に紹介した中国のサンテックは〃国策企業“であるため、もし今後の国の体制に変化があれば企業として存続しているかどうかはわかりません。
海外メーカーの製品を導入検討するのであれば、こうしたリスクも十分に考慮しておく必要があります。

とはいえ、とにかく早く元を取ることを優先するようなケースでは、海外メーカーの選択もいいでしょう。補償面での心配はあるものの、今後、国内メーカーの太陽電池よりもトータルで半額になるようであれば導入してもよいのではないか、というのが個人的な意見です。

国内メーカーの太陽電池でも現状では10年前後か十数年で元が取れる時代です。初期費用が半額で済むなら、5年や6年で元が取れてしまうことになります。これは太陽光発電の長所や短所ともとれます。

また、5〜6年経って償却のめどがついたとき、実際の発電量や機器の安定具合など諸々を検証してみて、その後のプランを考え直すこともできます。よければ使い続ければいいでしょうし、増設して発電量を増やすという判断もあるでしょう。逆にダ メならダメで利益が少し出たところで他のメーカーに買い換えるといった判断もあるかもしれません。

そのほか、米国のファーストソーラーという企業も太陽電池の生産量が多く、メーカーとしては有名です。単価も安いのですが、モジュールの原料に日本では規制の厳しいカドミウムを使っている点から国内の普及は難しい状況です。
日本製または海外製を選ぶにしろ、アフターケアの良し悪しや、10年後、15年後を最初から見すえたうえでプランを立てていくことが理想です。

太陽電池の性能

太陽電池の基礎的な評価は、電流1余宅圧測定かいます。この測定からは、太陽電池の最も重要な特ある変換効率が求められ、太陽電池の良し悪しは流が本的にこの変換効率で判断されます。
1余宅圧測定は太陽電池の表面と裏面の電極圧源を入れた回路をつなげて行います。この回路は、測定のための電圧計と電流計が設置されています。実際の測定では、太陽電池に擬似太陽光を当の時の電流値と電圧値を電圧源の電圧を変えなが計測します
擬似太陽光は、キセノンンプなどの光源で作った擬似的な太陽光のこと通常の太陽電池測定には、強さの擬似太陽使用されます。また、太陽電池特性は温度によって変わるため、測定は一般に標準条件で行われます。
太陽電池の電流や電圧特性は、通常は四角形に近い形を示します。特に電圧が0Vの時の電流は短絡電流と呼ばれ、太陽電池に電ていない時の電圧を開放電圧といいます。

太陽電池から取り出される電力は電流と電圧を掛ることで求められ、最適動作点で発生した電力がそ太陽電池の最大出力になります。太陽電池の変換効はこの最大出力を入射光強度で割った値で示してす。例えば、変換効率30%の太陽電池では、入光の50%が電力として取り出されます射

太陽電池の特性

太陽電池特性は使用する半導体材料のバンドギャップによって大きく変化します。ここでは、このバンドギャップを半導体原子の電子状態から考えてみます。
最も簡単な電子構造を持つ水素原子では、原子核の周りに電子1個が存在し、この電子はある決まったエネルギーを持つ電子軌道上にあります。2個の水素原子が結合すると水素分子(比)になりますが、この水素分子では合計2個の電子をお互いに共有して安定な結合(共有結合)が作られます。この場合、水素原子の電子軌道は結合性軌道と反結合性軌道に分裂し、2個の電子が水素原子のエネルギーよりも低い結合性軌道に入ることでエネルギー的に安定化します。
一方、シリコン原子には合計で叫個の電子がありますが、一番外側の軌道上にある4個の電子(価電子)が最も重要になります。この4個の電子は、3s・3pと呼ばれる2つの電子軌道に2個ずつ入っています。シリコン原子によりシリコン結晶を形成すると、水素分子の時と同じように、シリコン原子の4つの電子はお互いに共有され、4つの安定な共有結合ができます。しかし、半導体では非常に多くの原子が電子を共有するため、それぞれの軌道は圭なり合い、帯(バンド)が形成
されます。その結果できるのが、価電子帯、禁制帯、伝導帯です。水素分子の電子状態と比較すると、価電子帯と伝導帯は、それぞれ結合性軌道と反結合性軌道に対応することがわかります。

半導体のバンドギャップは禁制帯の幅を示し、水素分子では結合性と反結合性軌道の分裂幅に相当します。つまり、半導体のバンドギャップは、原子がお互いに結合し、安定化する時にできるエネルギー的な飛びで、構成原子の電子状態から決定される材料固有の値です。

電気の秘密

太陽電池に光を当てると、外部回路には電流が流れ、同時に電圧も発生します。この現象は半導体のバンド図から理解することができます。半導体のバンド図は、価電子帯、禁制帯、伝導帯により示されます。p型半導体には多くの正孔が存在
し、価電子帯には電子の抜けた穴が多くあります。|方、n型半導体では不純物から放出された多数の電子が伝導帯に存在しています。

バンド図は電子のエネルギー状態を示しており、電子はエネルギーの低い軌道から順につまっていきます。この電子がつまっている高さ(エネルギー)をフエルミレベル言)と呼びます。半導体p層には多数の正孔が存在するため、酢は価電子帯の近くにあり、逆に、層では酢は伝導帯の近くにあります。さらに不純物を入れていないi層では、酢は禁制帯のちょうど真ん中にあります。
ここで、pn接合を形成し、p層.n層を外部回路により短絡(ショート)させた場合を考えましょう。この時には、p層.n層の酢は一致し、pn接合部には帯(バンド)が曲がった領域ができます。この部分が、pn接合部の正負の電荷により形成される内部電界を表しています。

光照射によってできた電子と正孔は、この内部電界によりそれぞれ、層とp層の方へ移動し、電子は外部回路を通ってp層の正孔と再結合します。そのため、太陽電池に光を当てると、回路内には短絡電流と呼ばれる電流が流れます。

一方、外部回路をつなげず開放にすると、光により生じた電子と正孔はそれぞれ、層.p層内に蓄積され、開放電圧と呼ばれる電圧が発生します。この場合、pn層の酢の差が開放電圧に相当します。通常の太陽電池では、外部回路に負荷(抵抗)を入れることによって、電流と電圧を同時に取り出しています。

太陽電池の基本的なしくみとメリットデメリット

p型半導体と、型半導体を接触させると、その接合部には正の電荷と負の電荷を持つ2つの層が形成され、これらの層により半導体内部に電界が発生します。この内部電界が太陽電池の最も重要な部分です。
もしこの内部電界がないと、光を当てても電気を作ることはできず、太陽電池として機能しません。この内部電界がどのようにして形成され、どんな役割を持っているのかを考えてみましょう。

まずp型半導体では、半導体中の不純物原子は室温で負にイオン化して、不純物原子と同じ数だけ正孔が存在します。|方、n型半導体の場合には、不純物原子は正にイオン化し、半導体中には多くの電子がいます。そして、p型.n型半導体中の正孔と電子は、それぞれの半導体内を自由に動き回っています。このp型。n型半導体を接触させpn接合を形成すると、p型半導体の正孔は、型領域へ、逆に、型半導体の電子はp型の方へ移動し始めます。しかし、もともと正孔は電子が抜けてできる穴のようなものなので、もし正孔が電子と衝突すると、電子と正孔はエネルギーを放出して消滅します。これは、光によって電子と正孔ができる時のちょうど逆のことで、この電子と正孔が消滅する現象を再結合と呼びます。電子と正孔の再結合はpn接合領域で最も強く起こり、結果としてpn接合付近には正電荷と負電荷を持つ層が形成されます。太陽電池の内部電界は、この2つの層により発生します。この電界層が形成されると、正孔と電子はpn接合部の正負の電荷によって追い返され、それぞれ反対側には拡散できなくなります。

pn接合部に生じた内部電界は通常の電池に似た働きをします。特に太陽電池では、光によって生じた電子と正孔は接合部の正負の電荷により引き寄せられ、最終的に電流となって太陽電池から流れ出します。これが太陽電池の最も基本的なしくみです。

太陽電池の耐久性はどの程度あるのか?

設置後に、太陽電池が壊れたり性能が劣化したりしないかと心配な方もいるかもしれません。しかしその点はあまり心配ありません。太陽電池の表面は強化ガラスで、カラスが突っついたり風で飛ばされた木の枝が当たったりしたくらいでは、まず傷む ことはありません。 また仮に太陽電池表面のガラスが一部割れたとしても、該当するセルやモジュール がまったく発電しなくなることはありません。というのも、|部の電極が破損しても、その不良箇所を迂回して、隣の電極などを通して電気が流れるように設計されているからです。

専門的にはバイパス処理と言いますが、セルの一部がだめになっても、発電室がゼロにはならないような配慮がなされているのです。
ただこのような場合、バイパスがいき過ぎると、隣接する電極などに必要以上の電気が流れて負荷が増え、そこが熱を持って電極が切れたり焦げたりすることがあります設置業者の間では 「ホットスポット」などと言っていますが、このような現象には注意が必要です。

また割れた箇所や隣接する箇所の発電にはほとんど問題がなくても、まれに割れた箇所から水が入り込んで電極が破損し、モジュール全体の発電に悪影響が出る場合もあります。

モジュール表面が割れた場合でも、すぐに発電量に大きな影響が出ないケースが多いですが、なるべく早めの交換をお勧めします。せっかくの旧年保証は有効に利用して、常に最良のシステム状態を保ちましょう。

どんな屋根にも太陽電池は載るか?

太陽電池を屋根の上に付ける場合、下の屋根材との間を専用金具でとめて固定することが一般的です。現在、太陽電池メーカーの努力もあって、多種多様な屋根の素材にもモジュール設置が可能になってきています。

とはいえ、例えば設置が基本的に可能な瓦にしても、何百種類ものタイプが流通していて、なかには設置が困難だったり不可能だったりするものもあります。
また大手のハウスメーカーの中には、屋根材の下地に断熱材を入れてチップ材でサンドウィッチ構造にしたものを使用するケースがあります。その種の屋根材のボードには基本的にビスが効かず、太陽電池の固定ができません。|例では三井ホームがそのような素材を用いることがあります。提携しているシャープ製の太陽電池は設置できますが、他のメーカーのものでは対応できません。

また木造や鉄骨の建物には「垂木」という屋根を支える構造部分が設けられることが多いのですが、この垂木を無くす工法も増えています。そのような家屋でも垂木固定が標準となっているメーカーでは、太陽電池の設置が難しい場合があります。同様 に、あらかじめ工場で作ったコンクリートの屋根パネルを施工現場ではめる「陸屋根」を用いた家屋の一部でも、設置が困難な場合があります。

このように、屋根材と屋根下地の素材、構造(垂木の有無など)によっては、設置できる太陽電池のメーカーが限られたり、そもそも設置が難しいといった場合もあります。そのあたりは素人にはわからないため、メーカーや販売店にしっかり確認しましょう。無理に設置して、強風で飛ばされたり、雨漏りしてしまったりすることがないように注意してください。