太陽電池は一種類じゃない？シリコン系以外の太陽電池についても紹介します！

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太陽電池は、太陽の光エネルギーを電気に変えるための発電装置です。現在主流となっているのはシリコンを使った太陽電池ですが、それ以外にも複数のタイプの太陽電池が存在しています。

今回は太陽電池の概要やシリコン系・化合物系・有機系といった太陽電池の種類について紹介します。

太陽電池とは

太陽電池とは、太陽光の光エネルギーを電気に変える装置です。太陽が持つエネルギーや太陽光が地球にもたらすエネルギーは膨大です。太陽光1平方メートルあたり約1KWのエネルギーが地球に降り注いでいます。

太陽が持つ膨大な力を使って発電するのが太陽光発電です。発電に使用する太陽電池は電子機器に多用されている半導体を使って、太陽光のエネルギーを電気に変換します。発電にあたって燃料が不要で排気ガスや温室効果ガスを出さない太陽光発電は、環境負荷が低い発電方法として注目を集めています。

太陽電池の種類

私たちがイメージする太陽光発電は、大きな太陽光パネルで電気を生み出すタイプではないでしょうか。そのタイプはシリコン系の太陽電池を集めたものです。ここでは、現在主流のシリコン系やそれ以外の太陽電池である化合物系、有機物系の太陽電池を紹介します。

シリコン系

シリコン系太陽電池は、単結晶シリコン・多結晶シリコン・アモルファスシリコンの3つのタイプに分けられます。それぞれの特徴を見てみましょう。

単結晶シリコン太陽電池

結晶シリコンとは、シリコンの原子が規則正しく整然と並んでいる状態です。単結晶シリコン太陽電池は、最も古い歴史を持つ太陽電池です。後ほど紹介する多結晶シリコン太陽電池に比べ効果で高性能という特徴を持ちます。

変換効率が20%を超えるため高い変換効率が必要な場で用いられています。しかし、温度上昇にあまり強くないため高温時には変換効率が低下してしまうことがあります。

多結晶シリコン太陽電池

多結晶シリコンは、直径数ミリ程度の小さな単結晶が集まった多結晶シリコンを使用する太陽電池です。変換効率は15〜18%と単結晶よりも劣りますが、安価で少ないエネルギーで生産できるため、現在のシリコン太陽電池の主流となっています。

アモルファスシリコン太陽電池

単結晶や多結晶のシリコンとことなり、整列していない状態のシリコンをアモルファスシリコンといいます。結晶シリコンとアモルファスシリコンを組み合わせたヘテロ接合太陽電池は、高性能な太陽電池です。

結晶シリコンに比べ、薄い膜で光を吸収できる点や短波長（青や緑などの光）の光を利用するといった特徴がある半面、赤い光や赤外線といった長波長の光は利用できません。また、一般的な結晶シリコン太陽電池の100分の1の厚みまで薄くできるという特徴もあります。

アモルファスシリコンは極端に光が弱い室内でも高い効率で発電できるため、電卓や腕時計で使用されてきた歴史があります。ただ、変換効率は決して高くなく、10%前後です。

化合物系

シリコン以外の素材で作られたのが化合物系の太陽電池です。大きく分けて、CIGS系とCdTe系の2つに分けられます。

CIGS系太陽電池

CIGS系は、最近注目されるようになった太陽電池です。薄型の太陽電池でありながら、アモルファスシリコンなどよりも高い変換効率が期待されています。

CIGSは使用している銅（Cu）・インジウム（In）・ガリウム（Ga）・セレン（Se）の4つの元素の頭文字です。これらの元素を組み合わせた化合物はシリコンと同じく半導体となり、太陽光があたると電気を取り出せます。

材料や製造法を工夫することで、安価な製品から高性能製品まで多様な需要を満たせる製品を作り出せます。シリコン系よりも低コストで生産することも可能であるため、市場が拡大するのではないかと期待されています。

CdTe系太陽電池

CdTe系太陽電池は、カドミウム（Cd）とテルル（Te）を原材料として作られる半導体で発電するタイプの太陽電池です。高効率で安価に製造できる点が評価され、欧米では広く用いられています。

しかし、日本ではカドミウムに対する負の印象があるためかあまり広まっていません。カドミウムが敬遠される理由は、イタイイタイ病の原因物質として知られているからです。

大正時代頃から発生しはじめたイタイイタイ病は、神通川上流の神岡鉱山から流れ出た廃液に含まれるカドミウムが原因で、腎臓障害や骨がスカスカになる骨粗しょう症を引き起こします。こうした歴史があるため、カドミウムは敬遠されやすい物質なのです。

有機系太陽電池

有機系太陽電池は有機物を原料とした太陽電池です。シリコンやレアメタルを使用せず、高度な技術も不要であるため低コストで生産が可能です。

色素増感太陽電池

色素増感太陽電池は人工光合成によって電気を生み出します。光を吸収する色素を利用した一風変わった発電方法です。カラフルな太陽電池を作り出せるのもこのタイプの特徴です。最高変換効率は14%ほどと、他のタイプよりも効率が低いため消費電力量が少ない場面での使用が期待されています。

有機半導体太陽電池

半導体となった有機物を使用してつくられた太陽電池のことです。21世紀に入ってから本格的に開発がすすめられたものです。常温で塗るだけで製造でき、カラフルという特徴があります。

軽量素材で作られているため、折り曲げることができます。厚みはわずか0.003mmであり、シリコン型の1000分の1ほどの厚みしかありません。そのため、曲げたりシールのように貼り付けたりできます。

変換効率はおよそ15%で、十分実用化できる水準です。今後、シリコン系のように効率が20%近くまで改善されると、さらに用途が広がると期待できます。

ペロブスカイト型太陽電池

ペロブスカイト型太陽電池は日本で生み出された新型の太陽電池です。独特の構造を持つ灰チタン石（ペロブスカイト）と同じような結晶構造（ペロブスカイト構造）を持つ物質をペロブスカイトと総称します。

ペロブスカイト太陽電池の長所は、材料を塗布や印刷で作れるため短い期間で大量に生産できることです。これにより、電池生産のコストを大幅に下げられると期待されています。

軽量で歪みに強いのも特徴です。シリコン系の母材となるシリコンウエハーは壊れやすいため、ガラスに貼り付けて板状にする必要があります。しかし、ペロブスカイト太陽電池は歪みに強いため、曲面に貼り付けることも可能です。

使用する素材が安価であることもメリットです。使用するにはヨウ化鉛やメチルアンモニウムであり、これらの素材は比較的入手しやすいため製造コストを抑制できます。

まとめ

今回は太陽電池の種類について解説してきました。私たちがよく目にするシリコン系以外にも、化合物系や有機系などさまざまな種類の太陽電池が存在するとわかりました。

今回紹介した中でもアモルファスシリコンやCIGS系、有機半導体、ペロブスカイトなどは薄型であるため、これまで設置できなかった場所にも設置できるなど、都市空間の有効活用につながるかもしれません。

二酸化炭素排出削減の達成や次世代エネルギーの確保という観点から見ても、さまざまな種類の太陽電池の研究はこれからも進んでいくのではないでしょうか。

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