太陽電池を使おう!原理や種類をわかりやすく紹介。実はぼくらも太陽電池。




 

5月。

日差しが強くなってくるので太陽電池にとってはたくさん発電することのできる良い季節に入ってきています。

 

サステナブルの社会に向けて取り組める活動として、再生可能エネルギーを自分の生活の中に取り入れることが挙げられます。

 

太陽電池40枚

 

今日のキーワードです。

 

太陽電池の原理や種類、そして私たちにできることをわかりやすく紹介します。

太陽電池とは

太陽電池の概要

現在、太陽光発電システムの中心になっているのが太陽電池です。

太陽電池は、太陽の光のエネルギーを電気に変換する装置のことです。

種類は様々なものが開発されていますが、世の中に出回っている実用的な太陽電池はほとんどが無機化合物からできている無機系太陽電池です。

電池という名前がついていますが、実用的な太陽電池の中で、電気を蓄える機能を持った太陽電池はなく、基本的に太陽電池は電気をつくる装置のことです。

太陽のエネルギー

太陽の光だけでなぜ電気をつくることができるのでしょうか?

それは光自身がエネルギーを持っているからです。

プリズムと呼ばれる光を分散させるガラス・水晶などに太陽の光を通すと次のように分解されます。

赤、黄色、緑、青、紫、、、それぞれの色自身も実はエネルギーをもっているのです。

これらがギュッと1つにまとまると太陽光のように白っぽく見えていたのです。

 

太陽電池の原理・仕組みのキモになるのは、色を吸収して電気の力に変換する「光電変換」という物質のもつ性質です。

 

全ての物質は、分子から構成されていて、さらに細かく見ると原子(アトム)と呼ばれるものから構成されます。

鉄腕アトムのアトムはこのアトムだと思います。

 

この原子はプラスの力をもったモノとマイナスの力をもったモノが結びついて構成されます。

 

太陽電池に使われる光電変換の原理では、原子が持つこのプラス、マイナスの結びつきが使われます。

このプラスとマイナス、普段は結びついていて見かけ上はプラマイ0な状態です。

 

一方で、ある原子は特定の色を吸収する力をもっています。この色を吸収した時に、原子はその色のもつエネルギーが加えられるのです。

そのエネルギーがプラスとマイナスの結び付きを切り離し、電気を誕生させるのです。

 

この切り離されたプラスとマイナスを効率よく回路に流して電気として活用するのが太陽電池なのです。

実際は、分子でも同様な現象が起きるので、分子を用いた太陽電池も存在します。

太陽電池の歴史

原理の中心となる光電変換という現象を発見されたのは、さかのぼること1839年。

日本がまだ江戸時代の頃。

 

場所はフランス、Saint-Martinにあるフランス国立工芸院。

科学と産業の発展のための教育研究期間の中でその原理は発見されました。

発明者はアレクサンドル・エドモン・ベクレル。

光電流の発見

液体に浸した薄い塩化銀で覆われた白金の電極に光をあてると電流が生じる現象として発見されました。

光により発生する電流なので、これを光電流と呼びます。

 

実に繊細な発見です。

光を当てることで、電流が生じていることを発見したのです。

 

その後の1905年、かのアインシュタインが物理学の知見のもとに、この現象を論文『光の発生と変換に関する1つの発見的な見地について』内で理論として説明することに成功し、1921年にノーベル物理学賞を受賞します。

 

この原理を利用して発電体に作りあげたものが太陽電池になります。

 

実はぼくらも太陽電池

マメ知識として紹介。

私たちの目で見えている景色、色も全ては目で作られる光電流が脳の中に伝わって認識しているものなのです。

実は、私たちの体自身も光電変換を利用して得た電気を使用している、いわば太陽電池なのです。

 

太陽電池の種類

太陽の光にはたくさんの色が含まれていました。

これを図で見ると次のような形になります。横の軸が色を意味します。縦の軸は色の強さになります。

色と波長の関係の図もつけるのでよかったらイメージまでに参照ください。

太陽光は様々な色を様々な強さでもっていて、これらを足し合わせて美しく光っているのです。

 

太陽電池の種類の違いは、どの色の部分を吸収させるのか、という点の違いに繋がります。

色の吸収特性は、原子や分子で異なるので青側の方の光を吸収しやすいものもあれば赤色の光を吸収しやすいものもあるのです。

ここでは産業的に使用されている無機系の太陽電池の種類を紹介します。

単結晶型シリコン太陽電池

現在使用されているものの中で最も古くからある技術が多結晶型シリコン(Si)を利用した太陽電池です。綺麗な結晶性をもち、耐久性に優れ、効率が高いのが特徴です。

285W太陽電池モジュール「6MN6A285」

多結晶型シリコン太陽電池

見てわかるように多結晶型では細かなシリコンの決勝を集めて作られているので大理石の模様のように見えます。効率に対して生産コストが安く、現在最も広く流通しているのがこのタイプです。単結晶型と同じようにSi(シリコン、ケイ素)の元素からできています。

多結晶シリコンの太陽電池

多接合型太陽電池

効率を高めるためにいくつかの元素を組み合わせた太陽電池になります。例えば、同じSiでも、純度によって吸収する色が異なるのでそれらを組み合わせることで高効率な太陽電池にしています。「多接合太陽電池モジュール HIT」の画像検索結果

CIS太陽電池

上の接合型では層別に重なることが特徴ですが、こちらの電池は複合型と言われていて、結晶自身が複数の元素で作られます。CIS太陽電池ではC(Cu:銅)、I(In:インジウム)、S(Se:セレン)をそれぞれ指し、これら元素を組み合わせた結晶が用いられています。コストの割に高い発電性能を出すことで将来性が期待されています。

 

CIGS太陽電池

複合型の中で、CISに加えてG(Ga:ガリウム)を追加したものがCIGS太陽電池です。CISに比べてより幅広い光を吸収することができます。

 

サステナブルな社会に向けて

 

太陽電池は、自然のエネルギーを電気に変える方法の1つで、サステナブルな社会をつくるための重要なキーワードになっています。

 

0.25kWのパネル1枚の発電量は1日あたりおよそ1kWh。

1つの家(1世帯)が1日に使う電気の量はおよそ8-20kWh(年間で約3,000-7,000kWh、数値は世帯の人数により大きく差があります)なので、太陽電池20枚分ほどの電気が必要です。

 

さらに将来的に目を向けると、晴れじゃない日も太陽光から賄えたら嬉しいですよね??

 

蓄電池のシステム導入も検討しなければなりませんが、ます”つくる”ことに目を向けますと、

少し古いですが、日本全国の晴れの平均は年間を通して217.6日(都道府県別統計とランキングで見る県民性)。

約60%の日が年間を通して晴れです。余裕をみて、年間を通して約50%ほどしか晴れの日がなかったとして計算しても必要になる太陽電池は40枚ほど。

 

太陽電池40枚あれば、あなたの生活はサステナブルのスタートを切れるのです。

(もちろん、マネジメントシステムも必要ですが、まずは”つくる”初めの一歩から)

 

身近な生活の中に太陽電池を取り入れてみて、自分たちが使っている「電気」を自分で作ってみる生活はどうでしょうか。

 

40kWhで担える日本のエネルギー消費量に対する割合は0.000001%ほど。

 

でも、

 

100人集まれば、0.0001%になる。

 

10,000人集まれば、0.01%になる。

 

1,000,000人集まれば、1%になる。

 

技術も落ち着き、実績も多く積み重なっている「太陽電池」なので、今の社会を未来に繋げる手段として多くの方に接してみてもらえると嬉しいです。

 

最後に

 

2050年
太陽電池が主役

 

日本の半分以上のエネルギーは太陽電池から供給しているはずです。

 

太陽電池は、とても興味深い科学の産物だと感じています。

 

化学物質を使ってここまで技術が発展していることを嬉しく思うと共に、今からでもどのように使っていけるのかを考えていきたいです。

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