太陽光発電

 　

1. 太陽電池

光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。

 

�@  結晶シリコン

単結晶シリコンは、変換効率が高く、高信頼性だが、高純度シリコンを利用するため、コストが高い。

多結晶シリコンは、変換効率では劣るものの、コストと性能のバランス面から、現在主流となってきている。薄膜化も進んできている。

結晶シリコンは、高温でバンドギャップが減少し、出力電圧が低下してしまう。

 

�A  アモルファス（非結晶）シリコン

アモルファスは、変換効率が低いが、シリコン原料が少なく抑えられ、安価で省資源化にもなる。大面積化も可能で、大量生産向きであるため、建材一体型として普及している。

また、エネルギーバンドギャップが大きいため、高温でも出力電圧が落ちない。

さらに、結晶より光吸収係数が大きく、薄膜でも太陽電池として作動する。

ただし、性能劣化しやすい。

 

シリコン小面積セルの変換効率
単結晶	バルク多結晶	薄膜多結晶	アモルファス
24.7%	19.8%	16.6%	12.7%

 

 

�B  化合物半導体

材料の組み合わせで、バンドギャップを自由に変えられる。

太陽光のスペクトルにマッチさせたり、薄膜化し多接合型太陽電池に応用される。

 

ž  タンデム（多接合）構造

バンドギャップの異なる薄膜セルを重ねることにより、広い帯域の光を利用でき、高い変換効率が実現できる。

 

2. 太陽光発電の原理

半導体の性質

バンドギャップ（価電子帯と伝導帯のエネルギー差）が小さい(1〜2eV)。

バンドギャップよりも大きい光子エネルギーをもった光が入射すると、電子が伝導帯に励起され、電子伝導性が増大する。

 

光起電力効果（内部光電効果）

pn接合領域に光が照射されると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、光電子と正孔が発生し、正孔がp型層へ移動、電子がn型層へ移動、起電力を発生する。このとき、電極を取り付けると、直流電流を取り出せる。

 

 

太陽光発電の変換効率

ž  たとえば、単結晶の理論変換効率は27%。損失の内訳として、

�@  バンドギャップ以下のエネルギーの長波長光は変換できず、透過する

�A  バンドギャップを超えるエネルギーの短波長光では損失(hν-E_g)を生じる

�B  電圧因子損失

 

ž  実際の変換効率は理論変換効率よりももっと低くなる。損失の内訳は、

�@  反射損失

⇒対策として、反射防止膜(ARC)、テクスチャ構造（乱反射させる）

 

�A  光吸収の不足：光吸収係数は短波長ほど大きく、バンドギャップ付近は吸収しにくい

 

�B  バルク内・表面キャリアの再結合損失：電流として取り出されないうちに消滅

⇒対策として、裏面反射電極（光閉じ込め構造）

 

�C  表面電極による入射光の制限

⇒対策として、電極面積を小さくする

 

�D  直列抵抗損失

 

 

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