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３８０～８００ nm

光エネルギー

λν chhE

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。

1[kcal]=4.184[J]世界の年間消費エネルギー (2003 年 ) ： 4.44318×10 ＾ 17[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２：約４４分

問１：約５００秒

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３

宇宙太陽発電

地球

太陽太陽光

人工衛星ソーラーパネル

原子力発電１基分の電力に相当

レーザ

参考文献• 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/995/995-01.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://syllabus-

pub.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

薄膜太陽電池 色素増感型

PN接合型

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

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

バルク太陽電池

薄膜太陽電池

PN接合型

色素増感型

◎ 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

◎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

×シリコン不足× 材料が高い

動作原理：PN接合型

動作原理 :色素増感型

太陽電池の等価回路

Io :逆方向飽和電流

ｑ : 電気素量V: 電圧 Ｒ s ：直列抵抗n: 理想ダイオード因子 Rsh:並列抵抗k:ボルツマン定数T: 温度

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

太陽電池の電圧 - 電流特性

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

曲線因子

変換効率

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]

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 ： 12②アモルファス Si ： 　　 6③CdTe ： 　　 8

石油による火力発電：※単位は g-C/kwh※2004 年のデータ

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

アモルファス型（フィルム基板）

曲がる 変換効率が低い 富士電機

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 三菱重工

生産時の消費エネルギーが少ない 　 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 シャープ

信頼性が高い 　 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KW2030 年　　 1億KW2050 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

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１mm１m2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 !』

『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

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・・・

太陽光発電事業

A号出資者

B号出資者

一口 10万円

一口 50万円

元本＋損益分配

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

事業収入

出資対象の 営業

太陽光発電事業

ESCO 事業

太陽光レーザーが拓くマグネシウム社会

マグネシウムリサイクル施設

海水中の総マグネシウム資源量： 1800兆トン（石油：５万年分）

リサイクル施設へ

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

酸化マグネシウム

マグネシウムエンジン

や燃料電池による発電

淡水砂漠で農作物を生産

海水からのマグネシウム

淡水化・マグネシウムの精錬プラ

ント

マグネシウム

消費地へ

マグネシウム

消費地へ

酸化マグネシウム回収

レーザー光線

酸化マグネシウム

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• パリティ　 １０月号• 日経サイエンス　 １０月号• 日刊工業新聞　　 １０月１８日付• 電気新聞 １０月１７日付• 日経新聞　　　　 １０月４日、 22日• Wikipedia

http://ja.wikipedia.org/wiki• おひさま進歩エネルギー

http://www.ohisama-fund.jp/index.html

参考資料 1　　　種類別変換効率

　実験室での最高値

熱力学的な限界

単接合 　 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%