再生可能エネルギーの利用拡大のキーデバイス「太陽電池」は、実は電気を貯める機能はなく半導体を使った発電装置です。太陽電池という名称が誤解を与えていますが、実際は「太陽光発電素子」と呼ぶ方が正確といえます。

エネルギー価格の高騰や、カーボンニュートラルが注目される中で、産業用の大規模なシステムから、各オフィスや家庭用にも太陽電池が普及してきています。本記事では太陽電池がなぜ半導体なのか、その仕組みや種類、今後の動向などを解説していきます。

太陽電池が発電する仕組み

冒頭でも述べた通り、太陽電池は半導体を使って太陽光を電気エネルギーに変換しています。これには物理学で学ぶ「光電効果」が利用されています。

光電効果とは、光が物体に当たったときに電子が放出する現象で、太陽電池では放出された電子を電気回路に流してエネルギーとして利用します。

もう少し詳細な仕組みを説明します。太陽電池の半導体にはpn接合ダイオードが使われていて、p型半導体とn型半導体の接合面では電子と正孔が拡散移動しています。移動を繰り返すと、接合面付近に電子や正孔が存在しない「空乏層」が形成され、接合面間の移動ができなくなります。

そのときにp型半導体とn型半導体の間には電子数の差が生じるため、電位差が発生します。太陽電池では空乏層に太陽光が入り、光電効果によって放出された電子がn型半導体へ、正孔がp型半導体へ移動して、外部の電気回路に電流が流れます。

太陽電池が太陽光を電流に変換する効率は、光の吸収が高いこと、電気抵抗が低いことが重要となります。光の吸収を高めるには、波長の短い光を吸収できることが重要で、そのためにガリウム・ヒ素（GaAs）と呼ばれる材料をn型半導体に添加するなどの技術が開発されています。

太陽電池の種類

太陽電池に使用される素材はさまざまです。19世紀に太陽電池の初期型が開発されたときは、セレンという材料が用いられており、その後に亜酸化銅が使われるようになりましたが、電気への変換効率はわずか1％程度しかありませんでした。

20世紀中盤には、シリコン単結晶を使った太陽電池が登場して大幅に変換効率が向上し、現在では有機物を使った太陽電池が登場しています。ここでは太陽電池を材料別に分類した3種類のタイプを解説していきます。

シリコン系

最も古くからある太陽電池ですが、現在でも主流で使われており一般家庭の屋根やメガソーラー発電所などで見かけるものです。 薄型のシリコン膜が表面を覆っていて、エネルギー変換効率が高い特長があります。現在では小さな結晶を集めた多結晶シリコンタイプが、シリコンの使用量を抑えてコストメリットがあるためよく使用されています。

化合物系

シリコン以外の物質（銅・インジウム・セレン・ガリウム・カドミウムなど）を混ぜ合わせた太陽電池です。シリコンを使用しないため、シリコンの生産不足などの影響を受けないことがメリットです。 発電効率はシリコン系に比べて低い傾向がありますが、人工衛星などで使われる化合物系の「GaAs」はシリコン系より高い発電効率を発揮します。ただし値段が高いのため、現在では用途は限定的です。

有機系

有機半導体を材料とする太陽電池で、おもに炭素を用いています。シリコンや化合物系と異なり、柔軟性があるため屋上以外に壁面などへの設置が可能です。さらに窓ガラスに貼り付けたり、車などの乗り物の車体などに取り付けたりなど、使用用途が広いという特長があります。 低コストの材料が使用されているので、製造コストが安く今後普及が進む可能性があります。ただし現在の発電効率はシリコン系、化合物系に比べて低いため一層の研究開発が必要とされています。

太陽電池の発電効率改良で今後の拡大が期待される

太陽電池は地球温暖化対策のキーアイテムとして、企業や家庭での活用が進み身近な存在となってきました。太陽電池という名称から、多くの人が乾電池のように電池を貯めて、さまざまな電化製品や生産設備などで使用されていると思いがちですが、実際には光電効果を用いて半導体で電流を流す発電装置です。

太陽電池はすでに普及が進められていますが、本体価格や設置にかかる費用などを加味すると、依然としてコスト削減や変換効率の向上が求められています。変換効率向上に関する研究開発の事例では、広島大学で有機半導体を高結晶化して発電効率を2倍にする研究成果が報告されており、低コストな太陽電池の実用化が期待されます。

現在起きている化石燃料の高騰や、SDGsのような社会的な後押しによって、今後さらに需要の拡大や技術開発が進むことが予想されています。