太陽光パネルにはいろいろな種類がありますが、これから導入しようと考えている初心者にとっては違いがわかりづらいものですよね。業者のすすめるまま契約するのではなく、最低限の知識を身につけたほうがよいでしょう。それぞれの特徴についてまとめました。
太陽光パネルは用いられている材料によって、シリコン系、化合物系、有機系の3種類に分類されます。特に多く用いられているのがシリコン系で、化合物系は近年量産が進んでいるところ、有機系は開発途上です。それぞれの特徴を見ていきましょう。
シリコンはケイ素を材料にしたものです。大きく分けて「結晶シリコン」と「アモルファスシリコン」があります。シリコン系は多く使われているだけあって、その種類も多岐にわたっているのが特徴です。近年ではシリコンだけでなく複数の型を複合させたものもあり、一概にシリコン系と分類できないことも。
また、かつては半導体シリコン製造の基準を満たさないものが太陽光パネル用として使われていましたが、需要の増加にともない、太陽光パネル用のシリコン製造も行われるようになっています。ソーラーグレードシリコンと呼ばれ、半導体シリコンに比べて基準がゆるく、製造コストも抑えられます。
シリコン以外の原材料を組み合わせて作る太陽電池が化合物系です。シリコンは入手が容易なことから、太陽光パネルの材料として広く使われてきました。しかしシリコン以外の物質でも、半導体となれば太陽電池の原材料となります。
化合物系のパネルは一般的に光の吸収率が高く、実験レベルでは高水準の変換効率を記録しているのが特徴です。金属箔やプラスチックなど、従来の太陽電池とは異なる基盤で作成できます。
有機系太陽電池は、光を電気に変換する層に有機化合物を用いたものです。シリコン系太陽電池や化合物半導体系太陽電池が無機物を使っているのに対し、有機物を使っているのが特徴。薄くて軽く、自由に曲げられるため、これまでにない太陽電池の開発が期待できるでしょう。太陽電池に着色できることから、デザイン性にもすぐれています。生産コストが安いものの、変換効率や寿命に課題があり、実用化に向けて開発中です。
現在、太陽光パネルに特に多く使われているシリコン。代表的な結晶系シリコンの単結晶シリコン、多結晶シリコンに加え、アモルファスシリコン、HITシリコンの特徴をご紹介します。
1954年に開発された太陽電池です。現在普及している太陽電池のなかでも特に変換効率が高く、耐久性や信頼性にも定評があります。
欠点は製造コストがかかることで、ワットあたりのコストを比較するとやや高め。コストがかかるのは、製造のためには太陽電池セル上の電極をつなぎあわせていく必要があり、大量生産が難しいためです。温度上昇によって変換効率が低下するのも難点でしょう。
多結晶シリコンとは、多数の単結晶シリコンの断片から作ったもの。単結晶シリコンの断片を溶解し、鋳型で冷却する方法を用いて製造します。そのため、単結晶シリコンと比べて低コストで製造できるのがメリット。基本的な原理や構造は単結晶シリコン太陽電池と変わりません。
単結晶シリコン太陽電池と比べると、変換効率はやや低めです。これは、単結晶と単結晶のつなぎめに結晶粒界という接合面ができ、この構造上の理由で変換効率が落ちてしまうため。だいたいの目安として、単結晶の変換効率は13～18％、多結晶の変換効率は10～15％程度です。
アモルファスとは、「特定の結晶構造を持たない」という意味。太陽電池の構造も、結晶系シリコンと異なります。シランガスを太陽電池の基材に吹き付けて製造するため、結晶系シリコンと比べて製造コストが低いのが特徴。
光吸収係数が高いため、太陽光を吸収しやすいというメリットもあります。結晶系シリコンは数百μmの厚さが必要ですが、アモルファスシリコン太陽電池は数μmあれば十分なのです。
さまざまな素材の上に原料を吹き付けることができるため、フレキシブルな太陽電池を作ることもできます。高温で変換効率が変わらないのも長所です。
HITシリコンとは「ヘテロ接合型シリコン」という意味。単結晶シリコンと、2種類のアモルファスシリコンで構成されているため、それぞれの欠点を補うことが可能です。
HITシリコン太陽電池はエネルギーの変換効率が高いのが特徴。一般的な多結晶シリコン型は12％～16％ですが、HIT太陽電池は16％～19％となっています。従来の太陽電池はどうしても高温化で変換効率の低下が見られていましたが、HIT太陽電池は暑さにも強いです。
ただし、製造コストが高く、販売価格も高め。変換効率が高いと言っても、ワット数あたりのコストを考えると必ずしもお得とは言えません。
シリコン不足解消のため、シリコン以外の元素を組み合わせて作る太陽電池が研究されてきました。供給の安定している元素を半導体として用いて作っているのが、化合物半導体系太陽電池です。どのような特徴があるのか見てみましょう。
CIS太陽電池は、銅（Cu）とインジウム（In）、セレン（Se）が原料です。これにガリウム（Ga）を加えたものはCIGS太陽電池と呼ばれます。光吸収係数が高く、変換効率も高めです。高温時での出力低下が少ないのも特徴。大量生産ができるので、生産コストも抑えることができます。
主なデメリットは、製品によっては人体に有毒なカドミウムが含まれていること。今後の研究によって、カドミウムフリーの太陽電池が望まれます。
カドミウム（Cd）とテルル（Te）を原料とした太陽電池。最大の魅力は非常に低コストであることです。成膜工程が短時間なのがその要因で、ガラス基板を投入後2時間半程度で完成させることも可能。光吸収係数が高いことや、高温時の出力低下が少ないことも魅力です。
このように作りやすいCdTe電池ではありますが、原材料に有毒なカドミウムを含んでいることが懸念されています。テルルがレアメタルであることから、今後の資源量も心配されるところです。
ガリウム（Ga）とヒ素（As）を原料とした太陽電池。単接合の太陽電池のなかでも特に高い変換効率を誇ります。光吸収係数が高いことから、薄膜化で資源の節約が可能です。放射線にも強いため、宇宙用の太陽電池としても向いています。
短所は製品価格が高くなってしまう点。これは、原材料となるGaAsウェハのコストが高価なことが原因です。現状では宇宙用やソーラーカーレース用に限って使用されています。
まだ実用化レベルにはいたっていないものの、これからの発展が期待される有機系太陽光パネル。現在研究が進められているのは、色素増感型太陽電池と有機薄膜太陽電池の2種類です。
色素増感太陽電池の特徴は、カラフルな太陽電池が作れるところにあります。これまでの太陽電池は似たような色がほとんどでしたが、色素増感太陽電池なら好みに合わせたデザインをすることが可能に。低コストでの製造が可能なのも嬉しいポイントです。変換効率が5～6％と低めであることと、電解液の漏れによって寿命が短いことが課題となっています。
有機薄膜太陽電池は個体の半導体薄膜です。インクジェットプリンターのような印刷機で製造し、常温で塗布することによって発電が可能になります。有機半導体は着色が可能なことから、今後デザイン性にすぐれた太陽電池も作ることができるでしょう。製造コストが安いのも魅力です。
