太陽電池の仕組み・構造を知っておこう!

太陽電池(ソーラーパネル)の基本的な仕組みや構造について紹介するよ。
難しそう・・・

太陽電池の基本的な仕組みをチェック!

太陽電池は、最近とても話題を集めており、個人用の住宅・携帯の充電器などいろいろな商品が発売されていますが、一体どのような仕組みになっているのでしょうか。
太陽電池は、ソーラーパネルとも呼ばれますが、p型半導体とn型半導体という、性質の異なった半導体を張り合わせた薄い板型になっています。
その仕組みは、この太陽電池の板に太陽光があたると、2つの半導体の間に電力が発生し、電流が流れるのです。

もっと詳しく原理を説明すると・・・

太陽光線を浴びたものは、それが生物であろうと無生物であろうと、あらゆる物質は熱を帯びます。
この原理は、物質の中で動き回っている電子が、太陽エネルギーを受けて、分子の中で活発に動くようになるからです。
そして、活発に動き始めることにより、余分なエネルギーが発生し、そのエネルギーを熱として外に排出するためです。
もう少し、この原理を簡単に言うと、太陽の光を浴びると温かくなるという現象は、分子内の電子が太陽光により刺激を受け、要らないエネルギーを外に出すからです。
太陽電池は、基本的にはこの原理を元にして作られています。
太陽電池は、半導体を主原料に作られておりますが、この半導体は、電子を通したり、通さなかったり分別することができます。
半導体にも2種類あり、n型半導体とp型半導体といわれます。
この2種類は、電池でいうプラスとマイナスのような関係です。
2つの半導体に電界ができます。
この電界ができた部分に、太陽の光をあてると、中の電子が活発に動き始め、電気ができるのです。
この半導体の特性を使って電力を起こすものを太陽電池をいいます。
太陽電池は、電池といわれていますが、実際は電気を蓄えるのではなく、電気を起こすものなので、発電機のことなのです。

半導体の構造によっていろいろな太陽電池がある!

  • 多結晶シリコン太陽電池
  • 薄膜太陽電池
  • CIGS太陽電池
  • 量子ドット太陽電池
  • 色素増感太陽電池 など

太陽電池の仕組みと構成

太陽電池は、仕組みによって大きく2つに分けることができるよ。

独立電源型

まず1つ目は、独立電源型といわれるもので、太陽電池によって発電した電力をそのまま自家消費するものです。

つまり、外から電力の供給を受けることなく、自給自足で電力を賄っている仕組みのことで、外部からの電気的な接続を持っていないため独立型といわれます。

この仕組みの場合、太陽電池が発電している時と、電力を消費している時間が同じであるとは限らないため、バッテリーを搭載しているものが多く、太陽電池で作った電力をバッテリーに蓄電して、電気を使う仕組みになっています。
つまり、太陽電池で発電し、充電制御を通って蓄電され、その電気を家電などに使用するのです。

系統連係型
外部との電気的な接続がある場合には、系統連係型といいます。
製造コストを下げ、変換効率を上げることが、シャープや京セラ、パナソニックやホンダなど太陽電池メーカーの課題となっています。

太陽電池の変換効率という基準

太陽電池の仕組みを考える上で、変換効率は知っておかなければならないことなんだね。
太陽電池の基本的な原理は、太陽の光エネルギーを電気のエネルギーに変えることです。
この太陽の光エネルギーは、場所によって変わってきますが、日本では、真夏の正午の太陽光の場合ですと、1平米あたり、1kWのエネルギーを持っているといわれています。
この太陽の光エネルギーのうち、何%を電力エネルギーとして交換できるかというのが、変換効率というものであらわします。
この変換効率は、世界共通の値で、擬似太陽光を使って測定しますが、世界共通の条件の下、測定されるため、その条件はとても細かく決まっています。
現在のところ、シャープの薄膜太陽電池の変換効率が約9%、京セラの多結晶シリコン太陽電池の変換効率が約16%、ホンダのCIGS太陽電池が約12%といわれています。

太陽電池の新構造、色素太陽電池の開発に力を入れている!

太陽電池は、将来的に需要が伸びるであろうとされている電池です。
そのため、各メーカーはこぞって、その開発・制作に力を入れています。
太陽電池は、その構造にいろいろな種類があり、各メーカーは変換率の良い太陽電池の開発に力を入れています
メーカーは大学と共同で新構造の高効率の太陽電池の開発にも力を入れています。
信州大学とKOA・保土谷化学は、共同でn/pタンデム型という新しい構造の色素太陽電池を開発しました。
太陽電池は、開発・研究が進んでいますので、太陽電池用モジュール化技術の分野において、出願件数は近年とても増えています。
また変換効率の高い太陽電池の開発は、その企業にとって、とても大きな躍進となる鍵になりますから、各メーカーとても力を入れている分野です。

注目の次世代クリーンカーのソーラーカー!

次世代クリーンカーとして、太陽電池や電気自動車などが注目を集めていますが、どのような仕組みになっているのでしょうか。
太陽電池を使った自動車の場合も、それに使われる太陽電池の仕組みは、住宅用の太陽電池と変わりはありません。
n型半導体とp型半導体を張り合わせ、そのパネルに太陽の光が当たることで電気を発生させ、それにより自動車を動かすのです。
自動車に太陽電池を搭載する場合、軽量化・変換効率の高さ・製造コストの削減などが課題となります。
最近は、非結晶質のシリコン板を使った太陽電池が低価格にできるのではないかと、大きな期待が寄せられています。
ソーラーカーが、もっと普及するためには、太陽電池の更なる発達が無くてはならないでしょう。
また、太陽電池と電気自動車を組み合わせた、ソーラーカーも考えられていますが、住宅用の太陽電池のように屋根いっぱいにソーラーパネルを設置するわけには行かないので、やはり、走りながら十分な電力を得られるには、現在の太陽電池の仕組みでは、可能性は低いといわれています。
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