Transcript 太陽電池の原理と現状(その2

平成19年度
エネルギー変換工学
第４回
2007S04 亀山 尊寛
2007S12辻 和弥
監修 木下 祥次
光
電磁波
電波（長波、短波、ＦＭ波など）
光（赤外線、可視光線、紫外線）
X線・γ線
＊可視光の波長は３８０～８００nm
光エネルギー
c
E  hν h
λ
h : プランク定数
E : エネルギー
ν : 振動数
c : 光の速さ
λ : 波長
太陽
・放射線は殆どが大気で遮断。
・有害な紫外線も成層圏のオゾン層で90%以上がカット。
・可視光線、赤外光も、大気圏中での反射・散乱・吸収などによって平均４割強が減衰。
太陽光
光エネルギー
地球上でのすべての出来事は光エネルギーが
熱に変わる過程におこってる。
光エネルギーから電気へ
太陽熱発電・・・・・光→電気
火力発電・・・・・・・光→光合成→化石燃料→熱→電気
水力発電・・・・・・・光→位置エネルギー→電気
波力発電・・・・・・・光→運動エネルギー（風、波）→電気
海洋温度差発電・光→熱（地表と深海の温度差）→電気
太陽光発電・・・・・光→電気
問１
太陽光が太陽から放たれて地上に到達するまでの時間を求めよ。
1天文単位（太陽から地球までの平均的距離）： 1.49597870691×10＾11 m
問２
世界の年間消費エネルギーは地球に達する太陽エネルギーを
すべてエネルギーとして使えた場合、どれくらいの時間で賄えるか。
世界の年間消費エネルギー(2003年)：4.44318×10＾17[J]
1[kcal]=4.184[J]
問３
電波
・
光
・
マイクロ波 ・
・ 光触媒
・
・ 電子レンジ ・
・ アンテナ ・
・ 化学エネルギー
・ 熱エネルギー
・ 電気エネルギー
問
問１：約５００秒
問２：約４４分
問３
電波
光
マイクロ波
・
・
・
・ 光触媒
・
・ 電子レンジ ・
・ アンテナ
・
・ 化学エネルギー
・ 熱エネルギー
・ 電気エネルギー
宇宙太陽発電
太陽光
太陽
レーザ
人工衛星ソーラーパネル
地球
原子力発電１基分の電力に相当
参考文献
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ＮＥＤＯ海外レポート ＮＯ.995, 2007.2.21【太陽エネルギー特集】世界の太陽
エネルギー利用への取組状況http://www.nedo.go.jp/kankobutsu/report/995/99501.pdf
資源エネルギー庁 http://www.enecho.meti.go.jp/index.htm
エネルギー問題
http://digarc.pd.saga-u.ac.jp/sin-kyozai/kankyou/energy.html#0200
サイバーキャンパス「鷹山」
http://syllabuspub.yz.yamagata-u.ac.jp/amenity/Splash.asp
Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%
9A%E3%83%BC%E3%82%B8
太陽光発電協会 http://www.jpea.gr.jp/index.html
環境問題を考える http://env01.cool.ne.jp/
太陽電池とは
光起電力効果を利用して
光エネルギーを直接電力に変換する
電力デバイス
膜厚による分類
動作原理による分類
バルク太陽電池
PN接合型
薄膜太陽電池
色素増感型
バルク太陽電池
厚さ:10μm以上
バルク状結晶をスライス加工した厚い板状の半導体を使用
◎変換効率:30～40％
×基板やプロセスコストが高い
⇒宇宙用途・集光動作が中心
薄膜太陽電池
厚さ:10μm未満
基板に原料を堆積させて作る
◎薄い・量産可能・安価
×変換効率が悪い
⇒太陽電池としてはこちらの方が実用的
PN接合型
◎現在の主流
◎原材料が多種
◎変換効率が高い
◎半導体のオフグレード品
から作製可
×シリコン不足
×材料が高い
色素増感型
◎製造が簡単
◎材料が安価
◎着色・軽量可
◎Si系に比べコストが
1割～数割程度（将来）
×変換効率が低い
×寿命が短い
PN接合型
動作原理：
色素増感型
動作原理:
太陽電池の等価回路
抵抗を無視した太陽電池の暗電流
抵抗成分を含めた太陽電池の
光照射時の電流-電圧特性
Io :逆方向飽和電流
ｑ:電気素量
V:電圧
n:理想ダイオード因子
k:ボルツマン定数
T:温度
Ｒs：直列抵抗
Rsh:並列抵抗
太陽電池の電圧-電流特性
曲線因子
変換効率
Imax：最大出力点における電流
Vmax：最大出力点における電圧
Voc：開放電圧
Isc：短絡電流
Pmax:最大出力点
なぜ太陽電池が
新エネルギー源として注目されるか
太陽から供給されるエネルギー量 1.2×105 [TW/sec]
1E+23
1E+22
1.5日分!!!
1.7×1022
1E+21
1時間分!!
4.6 ×1020
1E+20
1E+19
1E+18
1E+17
1E+16
1秒分!
1017
サンフランシスコ大地震（1906）
人類の年間消費総エネルギー
採掘可能な石油資産
太陽から地球に到達するエネルギーと各種エネルギーの比較
出典：パリティ 10月号
製造時に発生するCO2排出原単位
年産100MW生産の場合・・・
①結晶Si：
②アモルファスSi：
③CdTe：
石油による火力発電：
※単位はg-C/kwh
※2004年のデータ
12
6
8
190
太陽電池のメリット
• 光エネルギーが資源として無尽蔵
• エネルギーの自給率を向上させる
• 建築物の屋根や壁面を利用して、専用の土
地を用意せずに設置できる。
• 需要地に近接して設置できるため、送電コス
トが低くできる。
• 非常用電源として利用できる。
• 可搬式または移動体用の電源としても利用で
きる。
太陽電池のデメリット
• エネルギーの変換効率が悪い
=発電コストが高い
• 設置には大面積が必要となる
• 発電量が天候に左右される
• 夜間は発電できない
太陽電池の主なタイプと特徴
長所
短所
主な開発メーカー
変換効率が低い
富士電機
アモルファス型（フィルム基板）
曲がる
軽い
比較的少ない光でも発電できる
アモルファス型（ガラス基板）
省資源
変換効率が低い
生産時の消費エネルギーが少ない
三菱重工
カネカ
多結晶シリコン型
量産性に優れる
材料不足で
製造コストが高い
信頼性が高い
シャープ
京セラ
三洋電機
化合物半導体型
変換効率が高い
有害物質を含むもの
ホンダ
生産時の消費エネルギーが少ない
がある
昭和シェル石油
最大の研究課題
安価な物質から高い変換効率を達成すること
安価(簡単)な製造プロセスであること
太陽電池による電気エネルギーを
大幅に安くする
安価な物質から太陽電池を作る
現在の主流：シリコン（Si）
半導体産業の盛り上がりで高騰＆品薄
たくさんある材料を使って作ろう
色素増感型太陽電池
有機薄膜型太陽電池
・・・etc
高い変換効率を得る
多接合型太陽電池
特徴
◎太陽光のエネルギーをより
無駄なく利用する
◎材料の組み合わせによって
温度特性や必要な資源量を削
減するなどの効果も得られる
太陽電池関連事業の現状
太陽光発電開発ロードマップbyNEDO
年間生産
2020年 1000万KW
2030年
1億KW
2050年
10億KW
2005年 全発電電力のうち
太陽光発電の占める割合：0.0036％
ここ最近
日本の太陽電池産業は不振？？
太陽電池の世界シェア
2004年度
年間生産量 1149ＭＷ
2006年度
年間生産量 2500ＭＷ
SHARP(日本）
18%
SHARP(日本)
27%
その他
45%
Q-cell(ドイツ)
10%
その他
48%
京セラ(日本)
9%
Q-cell(ド
イツ)
6%
BPソーラー(オー
ストラリア)
7%
三菱電機(日本)
6%
京セラ(日本)
7%
サンテック(中国)
6%
三菱電機(日本)
5%
三洋電機(日本)
6%
出典: 10月18日付 日刊工業新聞
『曲げられる太陽電池増産』
(アモルファスシリコン太陽電池) 富士電機システムズ
３７０億円投じ熊本に新工場
長所
折り曲げ可能
→設置場所の拡大
厚さ１mm
１m2あたり1kg
短所
発電効率が低い
2007年10月4日 日経新聞
市民ファンド in 長野県飯田市
『環境保護に貢献したい!』
しかし
設備費・維持費
敷地・管理・・・etc
ボランティア精神だけでは
限界が・・・
『南信州おひさまファンド』!!
NPO法人 おひさま進歩エネルギー
太陽光発電事業
出資対象の営業
一口10万円
A号
出資者
元本＋損益分配
一口50万円
B号
出資者
元本＋損益分配
お
ひ
さ
ま
進
歩
エ
ネ
ル
ギ
ー
【
営
業
者
】
初期投資
維持運営費
太陽光発電事業
ESCO事業
事業収入
太陽光レーザーが拓く
マグネシウム社会
リサイクル施設へ
酸化マグネシウム
酸化マグネシウム
酸化マグネシウム
回収
レーザー光線
マグネシウムエンジン
や燃料電池による
発電
太陽光励起レーザーの
2万℃の超高温で
酸化マグネシウムを
マグネシウムに転換
消費地へ
マグネシウム
消費地へ
マグネシウムリサイクル施設
砂漠で農作物を生産
マグネシウム
淡水化・
マグネシウムの精錬プラント
淡水
海水中の総マグネシウム資源量：1800兆トン（石油：５万年分）
海水からの
マグネシウム
まとめ
◎世界的に太陽電池に対する期待が高まっている
◎太陽電池の流通を促進させるためには
製造コストの低価格化が必要不可欠
◎太陽電池設置には面積を要するため
町や都市全体の協力体制が必要
◎クリーンエネルギーに対して
太陽電池以外にもさまざまな方向から
アプローチがかかっている
参考文献
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•
パリティ
日経サイエンス
日刊工業新聞
電気新聞
日経新聞
•
Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki
•
おひさま進歩エネルギー
１０月号
１０月号
１０月１８日付
１０月１７日付
１０月４日、22日
http://www.ohisama-fund.jp/index.html
参考資料1
単接合
種類別変換効率
実験室での最高 熱力学的な限
値
界
31%
シリコン(結晶)
25%
シリコン(ナノ結晶)
10%
ヒ化ガリウム
25%
色素増感
10%
有機物
3%
多接合
32%
66%
集光太陽光(単接合)
28%
41%
キャリヤー倍増
42%