太陽光発電・太陽電池の歴史・種類と特徴

2019年6月12日の日経・NHKへの解説はこちら solar-partners.jp
カテゴリ: 売電

太陽電池というと皆さんどんなイメージを持たれるでしょうか?
太陽電池付きの電卓?理科の実験で作ったソーラーカーのキット?
「今ひとつイメージがわかない!」という方から、「自宅に太陽光発電の設置を検討しているのだけど、どのタイプの太陽光発電がいいのか知りたい!」という方まで、様々な太陽電池を紹介してまいりますので、是非参考にして頂きたいと思います。

太陽光発電には不可欠な「太陽電池」とは?

一言で言うならば、「太陽光エネルギーを電力に変換する装置」のことです。
一般的に言われる「電池」(乾電池など)のように電力を蓄えることは出来ませんので注意が必要です。

太陽光発電・太陽電池の歴史

太陽光発電は、1954年にアメリカでピアソンの発明によってはじまりました。ピアソンの在籍していたベル研究所は、多数のノーベル賞を輩出した名門ですね。

当時は太陽光発電の性能は悪く、発電コストも高いため、主に人工衛星などに用いられるに留まっていました。しかしその後、1973年のオイルショックを契機に、各国で国家プロジェクトが創設され、新しい石油代替エネルギーとしての太陽電池の開発が始まりました(日本では、「サンシャイン計画」が発表されました)。

ところがそういった動きがありながらも、太陽光発電は発電性能やコストの面でなかなか普及しませんでした。その後の研究者のたゆまぬ努力によって、太陽光発電は実用レベルにまでその性能を高める事が出来ているのです。

太陽光発電・太陽電池の黎明期・成長期そして拡大期

太陽光発電の開発の歴史は3段階に分けられると考える事が出来ます。
1950年代から1980年半ばまでが第1期になります。太陽光発電の「黎明期」です。価格も高く、効率も悪いものですから、太陽光発電の用途は人口衛星や電卓用の電源等に限定されていました。

第2期は1990年代から2000年半ばまでで、太陽光発電における「成長期」と呼ぶことが出来るでしょう。太陽光発電は家庭用やビルの電力用として使われ始めました。

そして現在太陽光発電を取り巻く状況は第3期と言えるでしょう。太陽光発電の技術は実に高いものとなり、成長期を超え太陽光発電の「拡大期」を迎えています。

それで、太陽光発電に使う太陽電池はどんなものがあるの?

太陽光発電に使用する太陽電池には、いくつかの種類があります。ここからは太陽電池の種類とその特徴について、ご紹介します。

シリコン系太陽電池 太陽光発電の原点かつ横綱!
単結晶シリコン太陽電池

現在太陽光発電システムに使用される太陽光発電の中では、最もポピュラーな製品です。単結晶とは、その名の通り「ひとつの結晶」の事です。構成する元素が規則的に並んでいるため、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が高いのが特長です。

次に紹介します多結晶シリコンよりも製造コストがかかり、変換効率に優れています。太陽電池モジュール変換効率も15%程度から、20%を超えるものまで販売されています。

メリット
  • 変換効率が高い
  • 結晶性なので、劣化しにくい
  • 歴史が古く、ノウハウが蓄積されている
デメリット
  • 原料にシリコンを多く使用する
  • 比較的高額である

主な取り扱いメーカー
東芝・シャープ・三菱電機・長州産業・カナディアンソーラー・サンテックパワーなど

→太陽光発電の一番人気、単結晶シリコン太陽電池はこちら

多結晶シリコン太陽電池

単結晶シリコンが一つの大きなシリコン結晶による太陽光発電であるのに対し、多結晶シリコンは細かい単結晶がたくさん集まっている結晶です。製造方法が異なっており、製造コストが結晶シリコン太陽光発電よりも安価ですが、単結晶に比べて変換効率が低いという点があります。

2011年に単結晶シリコン太陽光発電に抜かれるまでは、住宅用では最もポピュラーな製品でした。現在も住宅用に使用されるほか、産業用に用いられる事もしばしばあります。

メリット
  • 結晶性なので、劣化しにくい
  • 歴史が古く、ノウハウが蓄積されている
デメリット
  • 原料にシリコンを多く使用する
  • 単結晶の変換効率を超えられない

主な取り扱いメーカー
京セラ・シャープ・カナディアンソーラー・サンテックパワー・フジプレアムなど

→まだまだ人気の太陽光発電、多結晶シリコン太陽電池はこちら

アモルファスシリコン太陽電池

アモルファスという言葉にはあまり馴染みがないかとは思いますが、日本語では「非晶質」といいます。(単結晶・多結晶シリコン太陽電池のように、原子が規則正しく並んでいるものではない、という事です。)ガラスの基板上にシリコンの薄膜(はくまく)を形成させ、薄膜太陽電池として使用されます。ただ、肝心の変換効率が低く、実用レベルには至っていません。

メリット
  • 薄膜化できるので、様々な形で使用できる
  • 数種類の薄膜を組み合わせる事で、高効率の太陽電池を作製できる
デメリット
  • 変換効率が低い
  • 耐久性が低い

→シリコン系太陽光発電の弱点を克服できるか?アモルファスシリコン太陽電池はこちら

タンデム型太陽電池

複数の太陽電池を積み重ねて製造された太陽光発電です。ハイブリッド(二つ以上の物を併せることによる相乗効果でより良い物を得る事)することで、高い変換効率を得ることが出来ます。国内では三菱重工業が開発した微結晶タンデム太陽電池が有名です。この太陽電池は、先述の薄膜アモルファスシリコンと薄膜微結晶シリコンを結合することで作製したものです。今後の太陽光発電システムの普及の為には、ハイブリッドによる「高効率化」が必要であるといわれています。

メリット
  • 2種類以上太陽電池の特色を加えた事で、変換効率が高い製品である
デメリット
  • 比較的高額である

HIT太陽電池

パナソニックから販売されている製品です。こちらは、単結晶シリコン太陽光発電とアモルファス太陽光発電のハイブリッド型です。アモルファスシリコンの薄膜と結晶性シリコンをハイブリッドにする事によって電荷の消失が低減され、高効率で発電します。

メリット
  • 変換効率が高い
  • 高温での変換効率が高い
デメリット
  • 比較的高額である

主な取り扱いメーカー
パナソニック、長州産業

→単結晶・アモルファスシリコン太陽電池のハイブリッド、HIT太陽電池はこちら

化合物系太陽電池
シリコン系に続き、太陽光発電の主流になり得るか?

複数の元素から成る化合物による半導体によって作られる太陽電池です。結晶シリコン太陽電池に比べ、非常に省資源型の太陽電池です。製造コストが低いので、今後の太陽光発電の普及の為に製造技術の向上が期待されます。

CIS太陽電池

Cu(銅)、In(インジウム)、Se(セレン)の3種類の元素からなる化合物半導体です。現在最もポピュラーなシリコン系太陽電池のように原料を大量に必要としないため、製造コストを抑えることが可能です。現在量産されている太陽光発電モジュールのモジュール変換効率は13~15%程度です。製造方法によっては高い変換効率を得ることが出来ますが、製造コストが高くなってしまうのが現状です。

メリット
  • コストが割安である
  • 環境負荷が小さい
デメリット
  • 変換効率が低い

主な取り扱いメーカー
ソーラーフロンティア

→シリコン系太陽電池の次の主流になれるか?CIS・CIGS太陽電池はこちら

CIGS太陽電池

Cu(銅)、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、Se(セレン)の4種類の元素からなる化合物半導体です。CIS太陽電池に、更にGa(ガリウム)を加えた太陽電池。

メリット
  • コストが割安である
  • 環境負荷が小さい
デメリット
  • 変換効率が低い

主な取り扱いメーカー
ホンダソルテック

→シリコン系太陽電池の次の主流になれるか?CIS・CIGS太陽電池はこちら

CdTe太陽電池

Cd(カドミウム)、Te(テルル)の元素から成る太陽電池です。生産コストが低く、今後の普及が期待されます。CIS太陽電池やCIGS太陽電池と同程度の変換効率でありながら、低コストで製造することが出来ます。しかし、有害物質であるカドミウムを使用しなければならないため、日本国内では普及が製造されていません。

メリット
  • コストが割安
  • 短時間で作製できる
メリット
  • カドミウムが有害物質である
  • 変換効率が低い

→カドミウムを安全利用できればシェアも拡大?CdTe太陽電池はこちら

その他の太陽電池 最先端の太陽電池!変換効率の更なる高みを目指す。

有機系太陽電池

従来の太陽電池に比べて、曲げることが出来る・塗料の様に塗ることが出来る等、太陽電池としては非常に自由度が高い物です。比較的大きな面積の太陽電池を製造できること、製造にかかる時間も短いことから、大幅な低価格化を達成される事が期待されます。

メリット
  • 低価格で製造できることが見込まれる
  • 自由度が高い
デメリット
  • 高い技術が必要であるため、実用化のハードルが高い

→無機物を使わない!有機太陽電池はこちら

量子ドット型太陽電池

結晶のサイズがナノサイズ(数~数十ナノメートル)の粒子によって形成された太陽電池。粒子のサイズによって、吸収する波長を調整する事ができるため、最適な条件を選択することにより、高効率の太陽電池の作製が可能になる事が期待される。

メリット
  • 変換効率が高い
デメリット
  • 高い技術が必要であるため、実用化のハードルが高い

色素増感太陽電池

酸化物半導体と、可視光を吸収する色素分子を組み合わせた電極と、レドックスイオンを含む電解液を用いて発電する湿式の太陽電池です。低コストで製造できる可能性があるため、太陽光発電の普及にむけて今後の動向が注目される。

メリット
  • コストが割安になることが見込まれる
デメリット
  • 高い技術が必要であるため、実用化のハードルが高い

→「湿式」の太陽電池って?色素増感太陽電池はこちら

※蓄電池

太陽光発電とは異なりますが、同じ「電池」という名の付くものとして、蓄電池があります。災害時の緊急用電源として使用する事が出来ます。太陽光発電システムとは非常に相性の良い製品です。

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(2019年4月19日更新)

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