太陽光発電にかぎらず事業を展開する際は、製品やサービスの仕組みについてよく理解しておくのが大切です。太陽光発電事業を展開する際は、太陽電池の仕組みや組み込まれているp型・n型半導体について把握しておきましょう。
そこで今回は、太陽光発電の仕組みと発電に欠かせないp型・n型半導体の仕組みや半導体の重要性、新型の太陽電池についてどこよりもわかりやすくご紹介します。太陽光発電事業について関心を持っている方や、自家消費型太陽光発電を導入するにあたって基礎的な部分を理解しておきたい方などは、参考にしてみてください。
太陽光発電の仕組みをわかりやすく解説
p型・n型半導体、太陽電池について理解するには、まず太陽光発電の仕組みについて把握しておく必要があります。それでは、太陽光発電の仕組みについてわかりやすく解説していきます。
発電機能を持つ太陽光パネルに太陽電池が搭載
太陽光発電の発電機能を担っているのは、太陽光パネルです。太陽光パネルの内部には、光を電気へ変換可能な太陽電池が複数搭載されていて、また太陽電池には半導体が組み込まれています。
太陽電池に用いられている主な半導体は、シリコン系半導体と化合物系半導体です。（半導体：電気を通す導体と通さない絶縁体の中間に位置しているもの）
太陽電池の内部では、p型・n型半導体が重なるように組み込まれていて、光を吸収した際にn型半導体の電子がp型半導体の正孔（電子の不足している場所）へ移動していきます。光を吸収している限り電子の移動を繰り返し、電気が発生する仕組みです。
交流変換機能や制御機能を持つパワーコンディショナ
太陽光発電の電気を生産設備やコンセントへ供給するには、パワーコンディショナも必要です。
太陽光パネルに搭載されている太陽電池は、発電機能を持っているものの直流電流しか流せません。一方、照明や生産設備、オフィス機器、家電製品、パソコンなどの電子機器は、交流電流で稼働するよう設計されています。
そのため、太陽光パネルだけでは実用性という点で課題が残ります。
そこで開発されたのがパワーコンディショナです。パワーコンディショナは、太陽光パネルから流れてきた直流電流を交流電流へ変換し、あらかじめ接続されている配線へ電気を流したり制御したりできます。
また効率よく電気を取り出すには、太陽光パネルの性能だけでなくパワーコンディショナの変換効率も向上させる必要があります。
太陽電池に搭載されているn型・p型半導体
太陽光パネルに搭載されている太陽電池には、n型・p型半導体が組み込まれています。各半導体の意味を把握することは、太陽光発電について理解する上で大切です。続いては、n型半導体とp型半導体の特徴についてわかりやすく紹介していきます。
最外殻電子3つがp型半導体
p型半導体は、シリコンの中にホウ素という元素を組み込んだものです。通常、シリコン半導体の最も外側にある「電子＝最外殻電子」は、4つで構成されています。しかし不純物でもあるホウ素の追加によって電子が1つ不足し、3つで構成されている状態です。（※原子の結合：物質は原子同士の結合で保たれている）
さらに電子の不足した部分には、正の電荷という性質を持った正孔が発生します。イメージとしては穴のようなもので、「電子の移動＝電気の発生」に必要な場所です。
この電子が不足している状態が、太陽電池のおいて重要な役割を担います。
最外殻電子5つがn型半導体
n型半導体は、シリコン半導体にリンといった不純物が追加された最外殻電子5つの半導体です。
シリコン同士の結合は4つの電子で行われるため、常に電子が1つ余っています。そのため、この余った電子が自由に動き回ることで「電子の移動＝起電力の発生」という現象へつながります。
太陽電池はpn接合型半導体で構成
p型半導体は電子を受け取りやすく、n型半導体は電子を追い出しやすい構造という違いがあります。また太陽電池は、このような性質を利用して発電しています。
ここからは、普及の進んでいるシリコン結晶系太陽電池に関する基本的な仕組みについて確認していきましょう。
光を吸収した際に電子がp型半導体へ動く
太陽電池は、p型半導体とn型半導体を接合させたものです。また、接合状態の半導体をpn接合型半導体と呼びます。
半導体に光が当たっていない時は、p型・n型半導体の間（接合領域）に空乏層という各半導体の電荷（電気）を打ち消し合う空間があります。
しかし半導体に光が当たると、接合部分にある電子がn型半導体へ移動し、p型半導体の接合部分以外に正孔が集中します。
p型半導体で電子を受け取る
光を吸収し続けているpn接合型半導体のn型半導体では、次々に電子が叩き出されます。すると、半導体と接続されている配線に電子が流れ始め、p型半導体へ移動します。
p型半導体へ移動した電子は、正孔と結合します。光を吸収し続けているかぎり同様の動きが繰り返され、継続的に直流の電気を生み出し続ける仕組みです。なお、光によって電気を発生させる現象を光起電力効果と呼びます。
太陽電池の種類
ここまでは、一般的な太陽電池といえる結晶系シリコンに関する仕組みを紹介しました。
しかし太陽光パネルに用いられている太陽電池には、単結晶シリコンや多結晶シリコン、化合物系など、さまざまな種類があります。より深く太陽光発電・太陽電池を理解するには、それぞれの性質についても把握しておくのが大切です。
そこでここからは、太陽電池の種類と基本的な仕組みについて紹介していきます。
結晶系シリコン太陽電池
1950年代に発明された結晶系シリコン太陽電池は長い歴史を持ち、世界で使用されている太陽電池のうち70％以上が同太陽電池です。単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の2種類があります。
前半で解説したシリコンをベースにしたpn接合型半導体は、結晶系シリコン太陽電池に区分されています。ただし、実際の製造方法は、p型半導体とn型半導体を接合させるという単純なものではありません。
製造の流れとしては、薄くスライスしたp型シリコンに、n型半導体に必要な不純物を加え、表面付近のみn型の性質を持たせます。
また構造については、結晶系シリコン太陽電池の両端に電極が取り付けられています。上面（表面電極）の電極にはn型半導体の機能を持つ面、下面の電極（裏面電極）はp型半導体と接合されています。
薄膜シリコン系
薄膜シリコン系太陽電池は、その名のとおり薄型の形状をしています。結晶シリコン系の太陽電池は、一定の厚みがなければ発電できない性質があるため、薄型の太陽光パネルには適していません。
一方、薄膜シリコン系太陽電池は、アモルファスシリコンというシリコン半導体を用いることで、100分の1程度の薄さでも発電できるのが特徴です。また、製造コストが安いのも強みです。
発電効率が低く不安定な性質を持っているため、p・n型半導体の間に無添加の層を作りだすことで、安定した発電を維持させます。
化合物系太陽電池
化合物系太陽電池とは、シリコン以外の物質を組み合わせて作られた太陽電池のことです。代表的な太陽電池は、CIGS太陽電池やCdTe薄膜太陽電池といったタイプです。
CIGS太陽電池は、銅（Cu）とインジウム（In）、ガリウム（Ga）、セレン（Se）、ガリウム（Ga）の元素を組み合わせたもので、薄膜シリコン系と同じく1㎛程度の薄さでも発電できます。また発電効率が高く、小型なら20％程度、モジュールサイズでも16％程度の効率を維持しています。
CdTe薄膜太陽電池はテルル化カドミウムを用いた太陽電池です。アメリカのFirst Solar社では、過去に研究用の太陽電池で22.1％もの発電効率を実現しています。
どちらも低コストという点が、大きなメリットです。
p型・n型半導体の研究によって太陽光発電の効率が向上！
近年、太陽電池の研究開発はさらに進み、新しい太陽電池も生み出されています。続いては、p型・n型半導体を活用した新しい太陽電池の研究事例について紹介します。
PERC技術によって発電効率を向上
近年の太陽光発電では、PERC（Passivated Emitter and Rear Contact）という技術が用いられています。
PERCとは、結晶シリコン型太陽電池の裏面にパッシベーション層（不活性化層）という保護膜を形成させる技術のことです。保護膜が形成された太陽電池は、発電の際に生じる損失を抑えられるため、発電効率の向上につながります。
中国の太陽光パネルメーカーロンジ・ソーラーでは、PERCを用いた太陽光パネルで変換効率20.41％を記録しました。
太陽光発電の発電効率を重視している場合は、PERC技術の搭載された太陽光パネルを検討してみるのもおすすめです。
ロンジソーラーがp型セルで変換効率26.1％を記録
前段でも触れたロンジソーラーでは、p型シリコンヘテロ接合型の太陽電池で、26.12％もの高効率を実現させました。
ヘテロ接合とは、アモルファスシリコンの間に単結晶シリコンが挟みこまれた半導体のことです。高温に強く、高い変換効率を維持できるのが、主な強みといえます。
p型シリコンヘテロ接合型の太陽電池は、一般的なヘテロ接合型より高い変換効率を持っていて25％前後を維持しています。また26％を超えるケースもあり、これまでの太陽光パネルとは一線を画す性能といえます。
n型セルによる開発も進む
近年では、n型半導体を活用した新しい太陽電池の開発も進んでいます。
一般的なシリコン系太陽電池は、シリコンウエハー（基盤）にp型半導体を用いたタイプです。しかしp型セル（太陽電池）は、変換効率の限界、高温下での発電効率低下、使用開始からしばらく性能が低下する光誘起劣化といった課題を抱えています。
そこで太陽光パネルメーカーでは、n型半導体をシリコンウエハーに用いた新しい太陽電池の開発を行っています。n型セルの場合は、p型半導体とn型半導体でn型半導体のシリコンウエハーを挟み込んだ複雑な構造です。
p型セルと異なり、弱い光でも発電可能、変換効率25％以上、両面発電可能といった特長を持っていて、次世代の太陽電池として期待されています。
p型・n型半導体以外のポイントで効率よく発電していくには？
発電効率を高めながら太陽光発電を運用していくには、p型・n型半導体関連の技術開発が進んだ太陽光パネルの購入だけでなく、施工や設置場所、運用方法についても気を付ける必要があります。
最後は、p型・n型半導体関連技術以外に太陽光発電の運用で注目すべきポイントを確認していきましょう。
日照時間など天候の条件がいい場所に設置
太陽光発電をこれから設置する場合は、まず日照時間や日射量、周辺の遮蔽物などを確認しましょう。
太陽光発電で特に重要な要素は、日射量や気候です。優れた太陽光発電を購入しても、太陽光の当たりにくい地形だと充分な発電量が見込めません。また、高温・低温環境といった気候面の厳しい状況では、設備の破損や早期の劣化といったリスクを抱えてしまうこともあります。
そのため、施工販売業者などへ相談しながら、設置場所の選定を慎重に進めるのが大切です。
販売施工実績の豊富な業者へ設計や施工を依頼
太陽光発電の施工不良といったトラブルを避けるには、施工・販売実績の豊富な業者へ相談する必要があります。
施工品質やサービス内容は、太陽光発電の施工販売業者によって異なる状況です。相場より安い・営業担当の説明が上手いなど安易な理由で契約を決めてしまうと、あとから施工品質や保証制度などで被害を被ってしまう可能性があります。
太陽光発電業者を比較検討する際は、相見積もりを行ったり、施工実績や契約内容を1つずつ慎重に確認したりしましょう。
FIT制度に頼らず全量自家消費を行う
太陽光発電の運用方法に悩んでいる時は、全量自家消費を検討してみてはいかがでしょうか。産業用太陽光発電を設置する場合は、FIT制度の認定によって20年間固定の単価で売電を行えます。しかし固定買取価格は毎年下落していて、売電収入を伸ばしにくい状況に変化しています。
さらに規制も増えているため、運用のハードルが高くなっているといえます。
一方、全量自家消費型太陽光発電であればFIT認定なしで運用できますし、同制度の規制を受けずに済みます。さらに発電した電気を全て自社の設備へ供給できるため、年間で数10％以上の電気料金削減効果を得られる可能性があります。
太陽光発電はp型・n型半導体によって起電力が発生！
太陽光発電の結晶系シリコン型太陽電池は、p型・n型半導体で構成されています。光を吸収するとn型半導体から電子が飛び出し、p型半導体の正孔と結合して起電力を生み出す仕組みです。
最近では、発電効率25％以上のn型セル開発やPERCという技術による変換効率の向上など、日々研究開発が進んでいます。
効率よく太陽光発電を活用したい方や太陽光発電のコストパフォーマンスが気になる方は、今回の記事を参考にしながら全量自家消費型太陽光発電を検討してみてはいかがでしょうか。
弊社和上ホールディングスでは、全量自家消費型太陽光発電のプラン作成から設計、部材調達および施工、運用保守まで一括サポートしています。特定建設業の許可を得ているだけでなく、環境マネジメントシステム「ISO 14001:2015 家庭用太陽光発電及び給湯設備の販売」や品質マネジメントシステム「ISO 9001:2015」を取得し、品質面においても日々向上を続けています。
全量自家消費型太陽光発電について少しでも興味をお持ちの方は、この機会にぜひご相談ください。
