太陽 電池
用途
種類
シリコン系
シリコンを
材質 の観点 による分類
単 結晶 シリコン型 高 純度 シリコン単 結晶 ウエハを半導体 基板 として利用 するもので、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。そのため近年 は下記 の多 結晶 シリコンや薄膜 シリコン太陽 電池 に移行 が進 んでいる。多 結晶 シリコン型 結晶 の粒 径 が数 mm程度 の多 結晶 シリコンを利用 した太陽 電池 。他 のシリコン半導体 素子 の製造 過程 で生 じた端 材 やオフグレード品 のシリコン原料 を利用 して製造 できる。単 結晶 シリコンに比 べると面積 あたりの出力 （変換 効率 ）は落 ちるが、生産 に必要 なエネルギーは少 なく、エネルギー収支 やEPT、GEG排出 量 の面 では単 結晶 シリコンより優 れる。コストと性能 のバランスの良 さから、現在 の主流 となっている。近年 はウエハを薄型 化 するコスト削減 技術 の競争 が進 んでおり、2004年 の300µm厚 から、2010年 には150µm厚 に半減 すると予想 されている[3]。また、ガラス上 に非常 に薄 い多 結晶 シリコン太陽 電池 を形成 する、CSG（またはSOG)技術 の普及 も有望 視 されている[4]。化学 気 相 成長 により成 膜 するため生産 過程 でSiH4、NH3、H2などのガスを使用 する。微 結晶 シリコン型 微細 な結晶 で構成 された薄膜 をCVD法 などにて製 膜 するものである。多 結晶 型 の1種 と見 なせるが、製 膜 条件 によってはアモルファス的 な性質 も併 せ持 つ。μ c-Si などと略記 される。比較的 新 しい技術 で、インゴットを切断 する手間 が省 け、資源 の使用 量 も削減 できるほか、製法 によっては200℃程度 の低温 での製 膜 が可能 で基板 を選 ばない、などの特長 がある。今後 、広範囲 な応用 が期待 されている[5]。化学 気 相 成長 により成 膜 するため生産 過程 でSiH4、PH3、B2H6，GeH4、H2などの気体 を使用 する。
- アモルファスシリコン
型 - シランガスから
化学 気 相 成長 (CVD) させてできるアモルファスシリコンを利用 した太陽 電池 で、a-Si などと略記 される。形態 的 には薄膜 シリコン太陽 電池 にも分類 できる。アモルファスシリコンは、タウツギャップと呼 ばれる通常 1.75～1.8 eV程度 のエネルギーギャップと、それより小 さな裾 準 位 を介 したエネルギーギャップを持 つ。結晶 シリコンに比 べてエネルギーギャップが大 きいため、高温 時 も出力 が落 ちにくい特性 を持 つ。太陽 電池 にそのまま用 いた場合 は主 に 700 nm以下 の短波 長 の光 が利用 され、見 た目 には赤 っぽく見 える。結晶 構造 の乱 れにより、光学 遷移 にフォノンの介在 を必要 とせず、光 吸収 係数 が高 い。このため 0.5μ m程度 の厚 さでも実用 になり、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。極端 な低 照度 下 での効率 が高 いことや、蛍光 灯 の短波 長光 に感度 があることから、主 に電卓 など室内 用途 に使 われてきた。太陽光 で劣化 しやすいのが欠点 だったが、技術 の進歩 により長寿 命 化 され（アモルファスシリコンの光 劣化 参照 ）、近年 は屋外 用 にも市販 されている。エネルギー変換 効率 が10%以下 と低 い（設置 面積 が大 きくなる）のも欠点 だったが、多 結晶 シリコン等 と積層 した多 接合 型 とすることで高性能 化 されている。また、タウツギャップの大 きさはドーピングによって1～2eV程度 の範囲 で可変 であり、これを利用 してアモルファス層 のみで構成 された多 接合 型 太陽 電池 も実用 化 されている。近年 は下記 の薄膜 太陽 電池 の一種 として論 じられることも多 い。化学 気 相 成長 により成 膜 するため生産 過程 でSiH4、PH3、B2H6、GeH4、H2などの気体 を使用 する。また、アモルファスシリコン太陽 電池 の開発 過程 で培 われた大 面積 ガラス基板 上 での半導体 製 膜 技術 はTFT液晶 ディスプレイパネルの生産 技術 にも役立 った。
形態 の観点 による分類
薄膜 シリコン型 - シリコン
層 の厚 みを薄 くすることで、使用 原料 、生産 に要 するエネルギー、コストなどの削減 をはかったもの。比較的 新 しい技術 で、様々 な形態 が存在 するためひとくくりにするのは難 しい。広義 には省 資源 化 の意味 で、従来 の数 百 μ mよりも薄 いもの全般 （例 えば 100μ m以下 ）を指 す。狭義 には柔軟 性 なども充分 に得 られる厚 みの意味 で、例 えば 10μ m以下 のものを指 す。シリコン融 液 から表面張力 でリボン状 に引 き出 すストリングリボン法 [6]を用 いた型 や、CVD法 などを用 いる微 結晶 型 などが代表 的 である。厚 みは生産 方法 の選択 によって100nm(0.1μ m)単位 から数 百 µm以上 まで連続 的 にカバーでき、目的 に応 じて使 い分 けられる。インゴットから切断 したウエハを用 いて製造 する場合 は通常 数 百 μ m単位 になるのに対 し、融 液 から直接 薄膜 の形 にするリボン法 などでは100μ m以下 、CVD法 などを用 いた場合 （アモルファス型 や微 結晶 型 など）では0.5～数 μ mまで薄 くなる。薄膜 のままでは充分 に入射 光 を吸収 できないため、表面 テクスチャや中 間 層 を用 いて光学 的 特性 を制御 し、入射 光 の利用 率 を高 める工夫 が施 される（ライトトラッピング）。効率 の低下 分 よりも生産 時 の使用 エネルギーやコストが多 く削減 できるため、環境 負荷 の観点 から優秀 なものが多 い
- ハイブリッド
型 （HIT型 ） 結晶 シリコンとアモルファスシリコンを積層 した太陽 電池 である。通常 の結晶 シリコンに比 して変換 効率 が高 く、温度 特性 も良 いなどの特長 を有 する[7][8]。シリコンの使用 量 が減 らせる他 、両面 受光 型 にも出来 る。日本 の三洋電機 が主 な製造 者 である。なお、吸収 波長 域 の異 なる材料 同士 を積層 するという点 では下記 の多 接合 型 太陽 電池 に似 るが、pn接合 は1つ（単 接合 ）である。
多 接合 型 （タンデム型 ）吸収 波長 域 の異 なるシリコン層 を積層 したもの。アモルファスシリコンと各種 の結晶 シリコンを積層 したものの他 、通常 のa-Siに吸収 波長 域 の異 なるa-SiCやa-SiGeを積層 したものなどが開発 ・実用 化 されている。高 効率 で温度 特性 などに優 れるものが多 い。多 接合 型 太陽 電池 の項 を参照 。
球状 シリコン型 球状 シリコン型 太陽 電池 とは、無数 の球状 シリコン粒子 （直径 1mm程度 ）と、集 光 能力 を上 げる直径 2～3mmの凹面鏡 （電極 を兼 ねる）を組 み合 わせた太陽 電池 のことである[9]。一般 的 な結晶 シリコン型 の1/5程度 のシリコン使用 量 で、アモルファスシリコンよりも高 い変換 効率 が期待 できる方式 である。2007年 初 めの時点 で10%を超 える発電 効率 が報告 されている。球状 シリコンの生産 方法 は、プラズマで溶 かしたシリコン液 滴 を1～2秒 程度 自由 落下 で滴下 させ、表面張力 でシリコン液 滴 を球状 とし、落下 中 にレーザー照射 により結晶 化 させることにより生産 される。個々 のシリコン粒子 は単 結晶 である。高 純度 シリコン原料 の供給 が追 いつかない状況 が続 く中 、シリコンの供給 状 況 に影響 されにくく、生産 工程 も簡易 なことから、コストを下 げやすい方式 として普及 が期待 されている。また、基板 が板 状 ではないため、曲面 にも設置 可能 でかつ軽量 であるメリットがある[10]。2007年 秋 から日本 企業 にて量産 開始 、2008年 より一般 販売 されている[11]。
電界 効果 型 従来 のpin接合 構造 を持 つアモルファスシリコン型 のp型 窓 層 の役割 を、絶縁 された透明 電極 から電界 効果 によって誘 起 される反転 層 に置 き換 えた構造 を持 つ。p型 窓 層 内 で再 結合 により失 われていたキャリアを電界 によって速 やかに分離 する効果 等 により、変換 効率 を飛躍 的 に改善 するものと期待 される。研究 が行 われていた1996年 当時 の従来 型 に比 べ最大 50%の効率 改善 がシミュレーションより得 られたが、製造 プロセス等 の課題 により実験 レベルでの大幅 な効率 改善 には至 っていない[12][13]。
化合 物 系
- InGaAs
太陽 電池 - シャープが
開発 した。InGaAs（インジウムガリウムヒ素 ）を用 い、3層 の結晶 構造 がほぼ一致 するように原材料 の元素 を掛 け合 わせ、さらに層 の間 に緩衝 材 を入 れて、層 のひずみを解消 した。2009年 10月 現在 、世界 最高 の変換 効率 （35.8%）である。毒性 のあるヒ素 を使 い、コストが高 いので、用途 は宇宙 用 に限 られる[14]。 - GaAs
系 太陽 電池 単 結晶 のGaAsを用 いるもので、禁制 帯 幅 1.4 eV で太陽光 のスペクトルに良 くマッチし、単 接合 セルでは最 も高 い変換 効率 を出 せる（2005年 末 の世界 記録 は25.1%；Kopinら）。宇宙 用 など、特 に高 い変換 効率 が必要 な用途 に用 いられている。- CIS
系 （カルコパイライト系 ）太陽 電池 新型 の薄膜 多 結晶 太陽 電池 。光 吸収 層 の材料 として、シリコンの代 わりに、Cu、In、Ga、Al、Se、Sなどから成 るカルコパイライト系 と呼 ばれるI-III-VI族 化合 物 を用 いる。代表 的 なものはCu(In,Ga)Se2 やCu(In,Ga)(Se,S)2, CuInS2 などで、それぞれCIGS, CIGSS, CIS などと略称 される。製造 法 や材料 のバリエーションが豊富 で、低 コスト品 から高性能 品 まで対応 できるのが特長 。また、多 結晶 であるため、大 面積 化 や量産 化 に向 く。フレキシブルなものやカスタマイズ品 も作 りやすい。シリコン太陽 電池 が苦手 とする分野 から実用 化 が始 まっているほか、禁制 帯 幅 が材料 次第 で自由 に変 えられることから将来 の多 接合 型 太陽 電池 への応用 も期待 されている。日本 でも量産 化 が始 まっている[15]
- CIGS
系 太陽 電池 - CIGS
太陽 電池 はCu（In、Ga）Se2という化合 物 からなる太陽 電池 である。携帯 電話 で搭載 できる程度 に面積 が小 さくて軽 くとも、大量 の電力 を生 み出 す高 効率 の太陽 電池 として注目 され、利点 として次 が挙 げられる[16]。
光 電 変換 効率 が高 い。数 µmの薄 さでも十分 に機能 する。経年 劣化 が少 ない。黒 一色 で色合 いが落 ち着 いている。
特 に1．に関 しては、2010年 に産業 技術 総合 研究所 が開発 したCIGS薄膜 型 太陽 電池 は19.4%の光 電 変換 効率 を実現 したという、キャリアがある[17]。この技術 の応用 により、セラミックス、金属 箔 、ポリマーなど様々 なフレキシブル基板 を用 いた高性能 な太陽 電池 の作製 に成功 した[16]。
- CZTS（Cu2ZnSnS4）
太陽 電池 - めっきプロセスを
用 いたCZTS（copper zinc tin sulfide）薄膜 は近年 開発 が始 まった材料 系 。上記 のCIS系 に形態 が似 るが、利用 する材料 がより豊富 かつ安価 なのが特長 。日本 の長岡工業高等専門学校 などで研究 が行 われている[18]。2012年 9月ソーラーフロンティア社 がIBMコーポレーション、東京応化工業 、DelSolar社 との共同 研究 において11.1％のエネルギー変換 効率 を達成 した[19]。 - CdTe/CdS
系 太陽 電池 - テルル
化 カドミウム（cadmium telluride, CdTe）薄膜 を用 いた太陽 電池 で、2枚 のガラスに太陽 電池 を挟 み込 んだ形態 のモジュールが代表 的 である。毒物 であるカドミウムを用 いるが、少量 でしかも安定 した化合 物 がモジュールに閉 じこめられているため、実 は環境 負荷 の低 い太陽 電池 とされている[20]。日本 では販売 されていないが、性能 が良 くかつ安価 であるため、米国 や欧州 で実用 化 されている[21][22]。
有機 系
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 。代表 的 なものはグレッツエル型 （または湿式 太陽 電池 ）と呼 ばれる型式 のもので、2枚 の透明 電極 の間 に微量 のルテニウム錯体 などの色素 を吸着 させた二酸化 チタン層 と電解 質 を挟 み込 んだ単純 な構造 を有 している。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、最終 的 には現在 主流 の多 結晶 シリコン太陽 電池 の1～数 割 程度 のコストで製造 できると言 われている。また、軽量 で着色 も可能 などの特長 を持 つ。現在 の課題 はルテニウムや白金 のような高価 な金属 が使用 されている事 と効率 と寿命 であり、技術 的 改良 が進 められている。電解 液 の蒸発 を如何 に防 ぐかが重要 であり、固体 化 などの技術 開発 が進 められている。2016年 2月 の時点 で、スイス連邦 工科 大学 ローザンヌ校 のチームが15%のエネルギー変換 効率 を達成 している[25]。
有機 薄膜 太陽 電池
導電性 ポリマーやフラーレンなどを組 み合 わせた有機 薄膜 半導体 を用 いる太陽 電池 。次世代 照明 /TVの有機 ELの逆 反応 として研究 が進展 した。ロールツーロールで印刷 による製造 が可能 になるため、上記 の色素 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 われており、また電解 液 を用 いないために（色素 増 感 と比 べると）柔軟 性 や寿命 向上 の上 でも有利 なのが特長 である。21世紀 に入 ってから盛 んに開発 が行 われるようになっている。課題 は変換 効率 と寿命 であり、2016年 2月 現在 の記録 はドイツのヘリアテック(Heliatek)が開発 した多 接合 型 セルによる13.2%が世界 記録 である[26]。
ペロブスカイト型
ペロブスカイト
量子 ドット型
歴史
1839
1884
1954
1974
原理
pn
のように
![{\displaystyle I=I_{ph}-I_{o}{\Bigg [}\exp {\Bigg \{}{\frac {q(V+R_{s}I)}{nkT}}{\Bigg \}}-1{\Bigg ]}-{\frac {V+R_{s}I}{R_{sh}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7569c5d6e95825f63cc2243e768d54d9754e5e77)
で
その他 参考 資料
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。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 られる。
太陽光 のスペクトルは紫外線 から赤外線 まで幅広 く分布 するが、短波 長 （紫 外 、紫 、青 ）の光 になるほど光子 は大 きなエネルギーを持 ち、より大 きな禁制 帯 幅 を超 えてキャリアを励起 できる。この短波 長 側 の光 に対応 した禁制 帯 幅 を持 つ単 接合 太陽 電池 を用 いれば、より大 きな電圧 を得 ることが出来 、短波 長 域 の光 のエネルギーをより効率 良 く利用 できる。しかし禁制 帯 幅 を拡 げすぎれば、より長波 長 の光 は素通 りして利用 されず、出力 電流 が減少 する。即 ちpn接合 が1つだけの単 接合 太陽 電池 においては、禁制 帯 幅 より大 きなエネルギーの光子 のエネルギーの一部 が無駄 になり、禁制 帯 幅 より小 さなエネルギーの光子 のエネルギーは利用 できない。このような兼 ね合 いから、単 接合 の太陽 電池 では禁制 帯 幅 1.3～1.4 eV付近 が最 も高 い変換 効率 が得 られる。単 接合 の場合 、変換 効率 の限界 は約 30%とされる。2005年 現在 の記録 はAM1.5G,1sunにおいて25.1%、AM1.5、255suns（集 光 セル）において27.6%である。- ここで、
禁制 帯 幅 の異 なる複数 のpn接合 素子 を積層 し、光 の入射 側 の素子 から順 に短波 長 の光 を利用 して発電 し、より長波 長 の光 はより下層 の素子 で利用 する。こうすれば各 波長 域 の光子 のエネルギーをより無駄 なく取 り出 すことが出来 （より高 い電圧 が得 られる）、かつより長波 長 まで含 めたより多 くの光子 を利用 できる（より多 くの電流 が得 られる）。変換 効率 は最終 的 に取 り出 せる電力 （電圧 ×電流 ）で決 まるため、単 接合 の場合 に比 べてより高 い効率 が得 られる。 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 されるが、実際 には上層 の素子 を通過 する際 の光 の損失 や素子 間 の電流 の整合 の問題 で、それより低 くなる。2012年 現在 の記録 は3接合 セルで得 られている（下記 ）。4接合 、5接合 のセルも研究 されている。
- GaInP/GaAs/Geの3
接合 セルで30%を超 える効率 が得 られ、主 に宇宙 用 に用 いられている。2012年 5月 の時点 で、シャープがInGaP、GaAs、InGaAsの集 光 型 化合 物 3接合 セルで43.5%を達成 している[46]。 民生 品 では、微 結晶 シリコンとアモルファスシリコンを積層 したものや、通常 のa-Siと禁制 帯 幅 の異 なるa-SiCやa-SiGeを積層 したものなどが開発 ・実用 化 されている[47]。アモルファスシリコンは禁制 帯 幅 が広 く、利用 波長 域 が結晶 シリコンと異 なるため、同 一 元素 同士 でも多 接合 太陽 電池 を形成 できる。このようにすることで効率 だけでなく、温度 ・光 強度 に対 する特性 や最終 的 な資源 の消費 量 の面 でも優 れた製品 が市販 されている（温度 の影響 も参照 ）。
温度 係数 は結晶 シリコンにおいては通常 -0.45%/℃前後 であり、これは70℃において基準 温度 （25℃）に対 して約 2割 の出力 低下 になる。- アモルファスシリコンにおいては
禁制 帯 幅 が1.75eVと大 きいため、温度 による効率 低下 は少 ない。アモルファスシリコンを結晶 シリコン等 と積層 することで、変換 効率 を単 結晶 シリコン並 の20%前後 にしつつ、温度 係数 を-0.2～-0.3%/℃程度 （70℃においても1割 程度 の出力 低下 ）に抑 えることが出来 、内外 の企業 によって実用 化 されている。 - GaAs（
禁制 帯 幅 1.4eV）では温度 係数 は-0.2～-0.3%/℃である。 - CIS
系 など一部 の太陽 電池 では、ある程度 温度 が上 がることで光 や放射線 による劣化 がアニーリング効果 によって回復 する性質 がある。 人工 衛星 用 など宇宙 用 の太陽 電池 モジュールでは、使用 時 の温度 が-100℃～+120℃程度 の範囲 で軌道 周回 に伴 って頻繁 に変化 するのに対応 して、熱 サイクルによる疲労 などに配慮 した製品 が用 いられる。
アモルファスシリコンの
アモルファスシリコンは
- アモルファスシリコンの
製 膜 工程 を改良 し、関連 する不純物 （水素 、窒素 など）の含有 量 を最適 化 する 光 閉 じ込 めを利用 して膜 厚 を薄 くする。これによって空 乏 層 内 の電場 が大 きくなり、キャリアの移動 が阻害 されにくくなる。多 接合 化 して光 の利用 効率 を高 めると共 に、個々 の空 乏 層 を薄 くする。紫外線 が特 に問題 になる場合 は、モジュールの保護 層 （ガラスやEVA樹脂 ）で遮断 する。
こうした
なお、
ギャラリー
関連 項目
脚注
出典
- ^
第 ２版 ,知恵 蔵 ,世界 大 百科 事典 内 言及 ,日本 大 百科全書 (ニッポニカ),化学 辞典 第 2版 ,百科 事典 マイペディア,ブリタニカ国際 大 百科 事典 小 項目 事典 ,デジタル大辞泉 ,精選 版 日本 国語 大 辞典 ,世界 大 百科 事典 . “太陽 電池 とは”. コトバンク. 2021年 11月3日 閲覧 。 - ^
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参照 ：解説 1・解説 2 - ^ HIT
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集 光 型 太陽 電池 セルで世界 最高 変換 効率 43.5％を達成 - ^
例 1例 2 - ^
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参考 文献
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浜川 ,圭 弘 、桑野 ,幸徳 著 、菅野 卓雄 [ほか]監修 編 『太陽 エネルギー工学 :太陽 電池 』培風館 〈アドバンストエレクトロニクスシリーズ 1. エレクトロニクス材料 ・物性 ・デバイス 3〉、1994年 5月 。ISBN 456303603X。
外部 リンク
解説 サイト
太陽 電池 の原理 産業 技術 総合 研究所 太陽光 発電 研究 センター太陽 電池 の分類 産業 技術 総合 研究所 太陽光 発電 研究 センター- ソーラー・パワー・エキスポ（
太陽 電池 を説明 する京 セラのパビリオンサイト） 半導体 /電子 デバイス物理 （甲南大学 による半導体 物性 からの解説 ）- [1] (PDF) (
太陽 電池 開発 の歴史 の回顧 録 )
関連 団体
新 エネルギー・産業 技術 総合 開発 機構 （NEDO）太陽光 発電 技術 組合 米国 エネルギ ー省 再生 可能 エネルギー研究所 (National Renewable Energy Laboratory,NREL)- Solarbuzz
- Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)
- Progress in Photovoltaics: Research and Applications
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