太陽電池 コスト

太陽電池

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2017/05/06 02:23 UTC 版)

コスト

太陽電池を用いる太陽光発電のコストは昔は非常に高価であったが、2011年現在では条件の良い国・地域では電力の小売り価格と同等もしくはより安くなり始めている。太陽光発電のコストを参照のこと。

原理

概要

太陽電池は、の持つエネルギーを、直接的に電力に変換する。その変換過程では・蒸気・運動エネルギーなどへの変換を必要としない。太陽電池内部に入射した光のエネルギーは、電子によって直接的に吸収され、あらかじめ設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力される。光起電力は特異な現象ではなく、亜酸化銅セレン等、半導体においては普遍性のある現象である。

pn接合型の場合

pn接合における光起電力効果

現在一般的な太陽電池は、p型とn型の半導体を接合した構造を持つ。即ち、大きなpn接合ダイオードフォトダイオード)である。下記のシリコン系化合物系の太陽電池がこれに該当する。発光ダイオードと逆の過程を通じて電子に光のエネルギーを吸収させ(光励起)、半導体の性質を利用して、エネルギーを持った電子を直接的に電力として取り出す。詳しくは光起電力効果の項を参照のこと。

色素増感太陽電池の場合

色素増感太陽電池では、pn接合型とは様相が異なる。入射光によって、二酸化チタンに吸着された色素中の電子が励起される。この励起された電子を二酸化チタンを介して電極(陰極)へと導き、直流として取り出す。送り出された電子は外部回路を経由して対向電極(陽極)に戻り、電極間に挟まれた電解質中のイオンを介して再び色素吸着部へと戻る[8][9]

回路部品としての動作

太陽電池の等価回路

太陽電池の等価回路は右図のようになる。最も単純なモデルでは抵抗成分を無視して、電流源 と(理想ダイオードではない)ダイオードのみで表される。抵抗成分を無視した太陽電池の暗電流は、 を逆方向飽和電流、qを電気素量、Vを電圧、nを理想ダイオード因子、kをボルツマン定数、Tを温度として

のように表される。ここで n=1 としたものがpn接合の理想I-V特性である。

実際の素子を近似するには、直列抵抗(series resistance) と並列抵抗(shunt resistance) 成分も考慮する。直列抵抗成分は素子各部を電流が流れる時の抵抗成分であり、これが低いほど性能が良くなる。並列抵抗はpn接合周辺における漏れ(リーク)電流などによって生じ、これが高いほど性能が良い。抵抗成分を含めた太陽電池の光照射時の電流-電圧特性は次のように表される。

太陽電池の電圧-電流特性

太陽電池の電圧-電流特性は右図のようになる。光照射時に於いて、端子を開放した時の出力電圧を開放電圧(open circuit voltage )、短絡した時の電流を短絡電流(short-circuit current, )と呼ぶ。また を有効受光面積 で割ったものを短絡電流密度)と呼ぶ。最大の出力電力を与える動作点Pmax最大出力点(maximum power point, 最適動作点最適負荷点)と呼ぶ。また 曲線因子(fill factor)と呼ぶ。照射光による入力エネルギーを 100mW/cm2(または1000W/m2)で規格化した測定では、公称変換効率は

で与えられる。

太陽電池から効率よく電力を得るには、太陽電池を最大出力点付近で動作させる必要がある。このため大電力用のシステムでは通常、最大電力点追従装置(Maximum Power Point Tracker, MPPT)を用いて、日射量や負荷にかかわらず、太陽電池側からみた負荷を常に最適に保つように運転が行われる。

種類

光吸収層の材料、および素子の形態などにより、多くの種類に分類される。それぞれ異なる特徴を持ち、用途に応じて使い分けられている。

シリコン系

シリコンを用いる太陽電池は、材料の性質の観点からは、大きく結晶シリコンアモルファスシリコンに分類することができる。またその形態から、薄膜型や多接合型などを分別することができる。その形式や性能は非常に多様であり、近年は複数の型を複合させたものも実用化されている。このため、ここに挙げた分類法も絶対のものではないことを付記しておく。太陽電池に用いられるシリコンの純度、格子欠陥は集積回路用に比べて基準がゆるく、これまでは集積回路用のシリコンが用いられてきたが、太陽電池の生産量が増加するに従い、ソーラーグレードのシリコン材料の供給が望まれてきた。シリコンの高純度化には従来、水素とシリコンを反応させて蒸留して純度を高める化学的な手法が使用されていたが、近年は冶金的な手法により、真空中で電子ビームを照射する事によってシリコン中の不純物の気化精製、凝固精製を行い不純物を除去する事により、純度を高めるプロセスも開発されている[10]

シリコン膜の構造による分類

結晶シリコンの禁制帯幅は 1.12 eV であり、太陽電池に用いた場合、近紫外域から 1.2 μm 程度までのを吸収して発電できる。間接遷移型の半導体であるため光吸収係数が低く、実用的な吸収量を得るには最低200μm程度のシリコン層が必要とされてきた。しかし表面テクスチャなどを用いた光閉じ込め技術が発達してきており、近年は結晶シリコンであってもシリコン層が数 μm~50 μmなどと非常に薄く、薄膜太陽電池に分類できるものも開発されている。c-Siなどと略記される。

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[11]。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[12]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。μc-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[13]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 0.5 μm 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μmよりも薄いもの全般(例えば 100 μm 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 10 μm 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[14]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(0.1μm)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 μm 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100 μm 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μm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[15][16]。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[17]。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[18]。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[19]
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[20][21]

化合物系

InGaAs太陽電池
シャープが開発した。InGaAs英語版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。毒性のあるインジウムを使い、コストが高いので、用途は宇宙用に限られる[22]
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、CuInGaAlSeS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英語版, 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[23]
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[24]
  1. 光電変換効率が高い。
  2. 数μmの薄さでも十分に機能する。
  3. 経年劣化が少ない。
  4. 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[25]。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[26]
CZTS(Cu2ZnSnS4)太陽電池
めっきプロセスを用いたCZTScopper 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[27]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英語版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[28]
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[29]。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、米国欧州で実用化されている[30][31]
その他
InP系太陽電池、SiGe系太陽電池、Ge太陽電池、ZnO(酸化亜鉛)/CuAlO2(銅アルミ酸化物)太陽電池(透明な太陽電池[32][33])などがある。

有機系

上記のシリコンや無機化合物材料を用いた太陽電池に対し、光吸収層(光電変換層)に有機化合物を用いた太陽電池も開発されている。製法が簡便で生産コストが低くでき、着色性や柔軟性などを持たせられるなどの特長を有する。変換効率や寿命に課題があるが、実用化されれば将来の市場で大きなインパクトが期待されるため、開発が競われている。

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、着色も可能、などの特長を持つ。現在の課題はルテニウム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[34]
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。直近で実現しそうな技術のうち、最も安価大量に太陽発電可能な方式である。ロールツーロールで高速輪転機印刷が可能になるために、コストが1/10に下がりうる事と、軽量ロールのために治水ダム上流の山林伐採地での施工費が格段に安価になり、太陽発電コストを(固定価格買取制度による、電気料金引上げを伴う強引な量産ではなく)、技術革新で大きく押し下げる効果が期待されている。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、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[35]

ペロブスカイト型

ペロブスカイト結晶を用いた太陽電池。2009年に桐蔭横浜大学の宮坂力教授の研究室によってハロゲン化鉛系ペロブスカイトを利用した太陽電池が開発された。エネルギー変換効率は2009年当時のCH3NH3PbI3を用いた3.9%から2016年には最大21.0%[36]に達するという著しい性能向上を示し、次世代の太陽電池として期待される。

量子ドット型

使用する材料がまだ特定されていない太陽電池として、量子効果を用いた太陽電池が検討されている。第三世代型太陽電池とも呼ばれる。例えばp-i-n構造を有する太陽電池のi層中に大きさが数nm~数10nm程度の量子ドット構造を規則的に並べた構造などが提案されている[37]。この量子ドットの間隔を調整することで、基の半導体(シリコンやGaAsなど)の禁制帯中に複数のミニバンドを形成できる。これにより、単接合の太陽電池であっても、異なる波長の光をそれぞれ効率よく電力に変換することが可能になり、変換効率の理論限界は60%以上に拡大する[38]。現在の一般的な半導体プロセスよりもさらに微細な加工プロセスの開発が必要である。2012年6月、東北大学がシリコンを使用した量子ドット型太陽電池で12.6%の変換効率を達成している[39]




[ヘルプ]
  1. ^ E. Becquerel (1839). “Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires”. Comptes Rendus 9: 561–567. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2968p/f561.chemindefer. 
  2. ^ R. Williams (1960). “Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds”. The Journal of Chemical Physics 32 (5): 1505–1514. Bibcode 1960JChPh..32.1505W. doi:10.1063/1.1730950. 
  3. ^ a b 太陽電池はどのように発明され、成長したのか、桑野幸徳、オーム社、平成23年8月、ISBN 978-4-274-50348-1
  4. ^ a b Pre-1900 Semiconductor Research and Semiconductor Device Applications, AI Khan, IEEE Conference on the History of Electronics, 2004 (PDF)
  5. ^ a b c John Perlin, The Silicon Solar Cell Turns 50 (PDF)
  6. ^ M.B.Prince (May 1955). “Silicon Solar Energy Converters”. Journal of Applied Physics 26 (5): 534. doi:10.1063/1.1722034. 
  7. ^ Vanguard Project
  8. ^ 荒川裕則、「色素増感太陽電池」、シーエムシー出版、2001年、ISBN 978-4-88231-933-7
  9. ^ 特許庁によるまとめ
  10. ^ 太陽電池用シリコン素材の製造プロセス (生研リーフレット No.289)
  11. ^ EPIA, Solar Generation IV - 2007, P.43[リンク切れ]
  12. ^ EPIA, Solar Generation IV - 2007, P.17[リンク切れ]
  13. ^ 参照:開発例1開発例2
  14. ^ 参照:解説1解説2
  15. ^ HIT太陽電池モジュール(財団法人新エネルギー財団)
  16. ^ HIT太陽電池の特徴(三洋電機)
  17. ^ 球状太陽電池(京セミ株式会社)
  18. ^ 球状半導体(日経BP社)
  19. ^ 球状シリコン太陽電池の開発・製造 (日経ビジネス)日経ビジネスが描いた日本経済の40年
  20. ^ 電界効果を用いる新型高効率アモルファス太陽電池の開発(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)
  21. ^ 低次元超構造のコンビナトリアル分子層エピタキシー(独立行政法人科学技術振興機構)
  22. ^ 太陽電池セルで世界最高変換効率35.8%を達成 ニュースリリース(2009年10月22日)
  23. ^ 例1例2
  24. ^ http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol07_07/p14.html
  25. ^ http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2008/pr20080716/pr20080716.html
  26. ^ http://www.aist.go.jp/aist_j/aistinfo/aist_today/vol07_07/p14.html
  27. ^ 長岡高専
  28. ^ ソーラーフロンティア、CZTS太陽電池の変換効率で世界記録、IBMなどと共同研究
  29. ^ Cadmium Use in Photovoltaics - Concerned Citizen”. NREL. 2011年3月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年6月15日閲覧。
  30. ^ en:Cadmium telluride photovoltaics参照
  31. ^ 例:PR_solarpowerplant_RoteJahne.pdf”. www.juwi.de. 2007年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年6月15日閲覧。
  32. ^ 透明な太陽電池の試作に成功”. 産総研 (2003年6月25日). 2015年3月閲覧。
  33. ^ 透明なのに発電できる?”. 産総研. 2015年4月閲覧。
  34. ^ EPFL、色素増感太陽電池で変換効率15%を達成。二段階蒸着法で実現
  35. ^ ヘリアテック社が有機太陽電池においてセル効率13.2%の世界新記録を更新
  36. ^ 高効率ペロブスカイト型太陽電池の製造コストが大幅低減
  37. ^ R・Turton著、川村 清監訳など『量子ドットへの誘い マイクロエレクトロニクスへの未来へ』1998年、シュプリンガー・フェアラーク東京、p47、ISBN 4-431-70780-8
  38. ^ 産業技術総合研究所太陽光発電研究センター「トコトンやさしい太陽電池の本」、日刊工業新聞社、ISBN 978-4-526-05795-3 P.78
  39. ^ 東北大、量子ドット太陽電池で世界最高効率-12.6%
  40. ^ 集光型太陽電池セルで世界最高変換効率43.5%を達成
  41. ^ 例1 例2
  42. ^ 例えば(浜川, & 桑野 1994, p. 167)







太陽電池と同じ種類の言葉


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