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太陽電池の仕組みとは?電池の素材や特性を生かした太陽光発電を

皆さんは、太陽光電池と聞いてどのようなイメージがあるでしょうか? ほとんどの方は、住宅の屋根に載せられたものや空き地を使用して設置された発電施設を思い浮かべるでしょう。しかし、どういった仕組みで電気が発生しているのか疑問に思ったことはありませんか? また、太陽電池も種類によって特性が異なり、環境によって変更する必要があります。まずは、太陽電池の仕組みや種類を一から見直してみましょう。

おさらいしておきたい太陽電池の仕組み

太陽電池は半導体を基礎に作られていますが、どうやって電気が生まれるのかご存知でしょうか? その仕組みをまずはおさらいしていきましょう。

半導体で電気を作る太陽電池

太陽電池とは、太陽光発電システムの要となる部分で、太陽の光エネルギーを吸収して電気に変えるエネルギー変換素子です。水力や風力の場合、回転運動により発電するため可動部が必要となります。日本の発電量の8割以上占める火力発電も燃焼によるエネルギーでタービンを回すので可動部が必要な一種になります。※1太陽電池の場合これがありません。太陽電池は、半導体と呼ばれる薄い板に太陽光を当てるだけで電気を作ることができるのです。

※1経済産業省エネルギー庁「エネルギー白書2017

太陽電池の原理は「光電効果」

太陽電池の原理となっているのは、「光電効果」と呼ばれるもの。簡単に説明すると、太陽光が物質に当たると電子が発生するという現象です。しかし、一般的な素材では電子はそのまま飛び出してしまい、取り出したり使用したりすることはできません。そこで使用されるのが半導体です。

半導体はこの電子を内部にとどまらせ、プラスとマイナスの二極に分離させて電流を起こします。たとえば、シリコン系太陽電池の場合、2種類の半導体(p型・n型)で作られており、プラス(正孔)はp型半導体へ、マイナス(電子)はn型半導体へと引き寄せられます。これに電球やモーターなどを接続すると、内部にとどめられた電子が放出され、電流が生まれるという仕組みです。構造で見ると乾電池によく似ていますが、太陽電池は「電池」とつくものの電気を貯めることはできません。

太陽電池の変換効率とは

太陽電池の変換効率とは、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換したときの割合を指します。単純に考えると、変換効率が高いものほど、より効率的に電気を生み出すことが可能です。計算方法は出力電気エネルギー÷太陽光エネルギー×100となります。

たとえば、100Wの光エネルギーが当たった際、10Wの電力が得られる場合、変換効率は10%です。2017年現在は変換効率15~20%台の太陽電池が多いですが、さらに変換効率の良い太陽電池の開発が進められています。

太陽電池の種類

ひとくちに太陽電池といっても、東芝やシャープ、パナソニックなど日本産だけでもバリエーションが多く、どれがどのような特性を持っているのかわかりづらいでしょう。そこで、まずはパネルの素材を比較してみましょう。

3種類の太陽電池が主流

太陽電池を大きく分類すると、「シリコン系」「化合物系」「有機系」の3つに分類されます。なかでもシリコン系の太陽電池は、住宅用の太陽光発電システムで主流となっているタイプで、結晶シリコン系の太陽電池はもっとも古くから使われています。

シリコン系太陽電池

結晶シリコンには単結晶と多結晶の2種類があり、前者は変換効率が高いけれども高価で、後者は低コストだけれども変換効率が単結晶に劣るといった特性があります。また、薄膜シリコンと呼ばれるきわめて薄いシリコン膜を使った太陽電池もあり、こちらは低コストなうえ軽く建材一体型の太陽電池に適していますが、発電量が低いというデメリットがあります。このほかにも、アモルファスシリコンや微結晶、多接合型などシリコン系太陽電池のバリエーションは豊富です。

化合物系太陽電池

化合物系の太陽電池は、名前のとおり複数の化合物を半導体の材料として用いたもの。ガラスや金属を基板に張り付けられ、理論上での変換効率は高く影の影響を受けにくいといわれています。組み合わせる材料によって低コストに製造したり、用途に合わせた性能を持たせたりといったフレキシブルさが魅力です。

有機系太陽電池

有機系の場合、有機半導体を塗布することで製造できるため、低コストなうえ軽量。化合物系太陽電池と同様に、柔軟性に富んだタイプです。たとえば、有機系のひとつ「色素増感太陽電池」の場合、光を吸収して電子を放出する特性を持った色素を利用しており、太陽光の入射角や光量などに依存性が少ないといった特徴があります。変換効率は10%前後ですが、今後研究が進めばさらに多様な場面で使用されるかもしれません。

開発が進む太陽電池の未来

日本では家庭用の太陽電池としてシリコン系が主流ですが、より低コストで寿命が長い非シリコン系太陽電池の開発も進んでいます。

たとえば、量子ドット太陽電池は理論上の変換効率が最大75%と非常に高く、現在は実用化に向けて研究が進められている段階です。ほかにも、球状シリコン太陽電池、カーボン太陽電池といったさまざまな太陽電池の研究が進んでいます。

また、レンズで太陽光を集めて変換効率を高める方法や、太陽の動きを追従し最大限光を取り込めるようにした太陽電池など、太陽電池そのものでなく設備を併設することで効果を高められる技術も研究が進んでおり、今後はさらに効率の高い太陽電池が生まれる可能性もあります。

ソーラーパネルは環境に応じて選択するべし

ソーラーパネル・太陽光パネル・モジュールは同じものを指す言葉

ソーラーパネルとは、「太陽光パネル」や「モジュール」などと呼ばれる設備のこと。「モジュール」は太陽電池の単位であり、「セル」を必要枚配列して屋外で使用できるよう樹脂や強化ガラスなどで保護されたものを指します。メーカーでは、「モジュール」と呼ばれるのが一般的です。

環境・状況に応じたソーラーパネル選びを

ソーラーパネルは国内産や中国・欧米産などさまざまで、発電量はもちろん、特性も大きく異なります。住宅に太陽光発電システムを設ける場合には、保証が充実した国内産ソーラーパネルを選ぶ方が多いでしょう。しかし、50kWや100kWといった広範囲で太陽光発電システムを導入する場合には、単価が高い国内産のソーラーパネルよりも海外のリーズナブルなものを選んだ方がイニシャルコストを抑えることが可能です。発電量はもちろん、蓄電池やパワーコンディショナとの相性、重さ、変換効率などを考慮して最適なものを選ぶことも大切です。

太陽電池の4つのメリット

ここまで太陽電池の性質や仕組みについて紹介してきましたが、具体的な導入メリットはどこにあるのでしょうか? 発電によって購入電力を削減できることはもちろんのこと、環境保全や災害時のバックアップ電源などさまざまな魅力にあふれています。

メンテナンスが容易

太陽電池はメンテナンスが容易で耐用年数が長く、メーカーの出力保証が受けられるといったメリットがあります。つまり、環境さえきちんと整えていれば不動産投資のような空室リスクがなく、長期的に安定した収入が得られるのです。また、火力や風力のようにエンジンやタービンといった可動部分が少ないため、故障により収入が激減するといったことも少ないのが魅力的です。

設置場所を選ばない

次々と開発が進められる太陽電池は、シリコン系を中心にさまざまな種類があります。そのため、設置する場所の広さや環境に合わせて最適なタイプを選ぶことが可能です。近年では、屋根や屋上などのほか、壁に設置するタイプの太陽電池もあり、さらに柔軟性の高いものもできるでしょう。

さまざまな用途が考えられる

発電した電気は、自己消費はもちろんのこと、工場やオフィスの電力を賄ったり、売電して利益を得たりとさまざまな用途が検討できます。近年では、塗装できる太陽電池の開発や、車へのソーラーパネル搭載でバッテリー充電可能な電気自動車など、ほかにも活用が増えてきました。

目に見えるCSR対策となる

環境保全や社会貢献といったCSR(企業の社会的責任)活動はボランティア要素が強く、目に見えてわかりづらいこともあり、アピールしづらい面も。CO2を排出しない太陽電池は目に見えるCSR対策としても有効的で、ブランドイメージの向上にもつながります。

企業によっては子供たちへの自然教育の一環として太陽光発電を公募した幼稚園や保育所に寄付する活動を行っているところもあります。

太陽電池の特性を生かした太陽光発電を

数々の太陽電池が開発されている現代では、ただ屋根の上に載せるだけでなく、電気自動車への実用化も進められており、用途が多様化する可能性を秘めています。また、環境にやさしいエネルギーを使用することで企業のイメージアップにつながるといったメリット面も大きく、節電や投資目的以外にもさまざまな活用法が検討できます。

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