自然エネルギーとの協働作業：太陽電池の今と将来自然エネルギーとの協働作業：太陽電池の今と将来

柿柿 本本 浩浩 一一

九州大学G-COE新炭素資源学-石炭エコイノベーション, 11月1日, 2009

九州大学応用力学研究所九州大学応用力学研究所

基礎力学部門基礎力学部門

石 油 石 炭 天然ガス ウラン

可採年数

４５年

６４年

174 年

７４年

9970 憶

138 兆ｍ3

5158 憶トン

（高品位炭）

バーレル

232 万トン

世界のエネルギー資源確認可採埋蔵量

世界のエネルギー資源確認可採埋蔵量世界のエネルギー資源確認可採埋蔵量

ガスの流れ

フロン温室効果

CO2 , NOx , SOx ,

酸性雨

オゾンホール

熱，公害・生態系異常・異常気象・砂漠化

地　球

酸性雨・魚・貝類の死滅・植物が枯れる

氷が溶ける・平均気温が　３℃上昇

化石燃料の消費が地球環境に与える影響

南極

植物

世界のエネルギー資源確認可採埋蔵量世界のエネルギー資源確認可採埋蔵量

東アジア環境予測Study on the Asian scale atmospheric environemnt - Tropospheric Chemical Transport and Chemical

Weather map -Study on the climate variation by using the global

aerosol transport model

Annual averaged Aerosol Optical ThicknessFrom Global Aerosol Transport Model Simulation

Transport of dust and sulfate

3D view of dust and cloud after Profs. Uno & Takemura

太陽光のエネルギー太陽光のエネルギー密度密度

地球

太陽

約4ｘ1023ｋW

表面温度６０００K約

２ｘ1

014 ｋW

地表面：１ｋW/m2

大気表面：1.4ｋW/m2

大気圏：水蒸気、空気，ほこりなどからなる

表面温度：300K

太陽から降り注ぐエネルギー太陽から降り注ぐエネルギー

Prim

ary

Ener

gy S

uppl

y [E

J/Y]

1,600

1,400

1,200

1,000

800

600

400

200

0

WBGU: German Advisory Council on Global Change

WBGU’s World Energy Vision 2100

YEAR2000 2060 2070 20820502010 2020 2030 2040 2100

GeothermalOther REsSolar heat

Solar electricity

Wind

Biomass adv

Nuclear PWGasCoalOil

Biomass tradHydro-PW

Prim

ary

Ener

gy S

uppl

y [E

J/Y]

1,600

1,400

1,200

1,000

800

600

400

200

02000 2010 2020 2030 2040 2050

YEAR

WBGU: German Advisory Council on Global Changehttp://www.wbgu.de/

世界のエネルギー世界のエネルギーの動向の動向

20%

70%

(太陽光発電)

日本の平均日射量日本の平均日射量

太陽電池の特色太陽電池の特色

長所1. 直流の光発電装置

2. エネルギー源が太陽光：タダ

3. 環境を害する排出物：無

4. 機械的な可動部分無し：雑音無し

5. 長寿命（単結晶シリコン：３０年、

アモルフアスシリコン：１０年以上）

短所1. 天候、時刻によって出力が激変、季節、温度によっても変動

2. 現在では一般電力より単価高

3. 面積あたりの出力小、エネルギー変換効率低

太陽光の波長分布太陽光の波長分布

シリコン太陽電池の理論効率：２７％シリコン太陽電池の理論効率：２７％

日本における太陽電池モジュール生産量日本における太陽電池モジュール生産量およびＰＶシステムの累積導入量の年推移およびＰＶシステムの累積導入量の年推移

0.01

0.1

1

10

100

1000

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

西暦年

累積

導入

量、

太陽

電池

モジ

ュー

ル生

産量

（G

W)

実績（生産量） 実績（導入量） 導入量（２０％成長）

導入量（３０％成長） NSSマイルストーン ロードマップシナリオ

世界における世界における20072007年の企業別太陽電池生産量（年の企業別太陽電池生産量（MWMW））

389.2

363

327

207

207

196

165150142.5130

121

1724.5

Q-Cells

シャープ

Suntech

京セラ

First Solar

MOTECH

三洋電機

SunPower

Baoding Yingli

Deutsche Solar

三菱電機

その他

太陽電池の出荷量の推移太陽電池の出荷量の推移

1

10

100

1000

10000

1995 2000 2005 2010

西暦年

太陽電池モジュール年間生産量　（ＭＷ）

世界

日本

欧州

米国

中国

台湾

国名 ドイツ スペイン イタリア フランス 米国韓国 日本

買取

額

0.408～0.518ﾕｰﾛ／kWh低減率

6.5％／年

0.44ﾕｰﾛ／kWh（<100kW）0.23ﾕｰﾛ／kWh（>100kW）

0.445～0.49ﾕｰﾛ／kWh

0.3ﾕｰﾛ／kWh （住宅用）

0.55ﾕｰﾛ／kWh（BIPV）

0.76ドル／kWh

50円／kWh

買取

期間

20年 25年 20年 20年 10年

開始

年

2004年1月

1999年 2006年3月

2003年1月

2005年

2010年度

フィードイン・タリフ（電力価格の買取）制度の効果フィードイン・タリフ（電力価格の買取）制度の効果

Japan is coming up again!

OITDA

日本における太陽電池モジュール生産額の推移日本における太陽電池モジュール生産額の推移

日本の住宅用太陽光発電システム価格の推移日本の住宅用太陽光発電システム価格の推移

個人住宅用太陽光発電システム個人住宅用太陽光発電システム

光から電気へ光から電気へ

高効率化高効率化

直流から交流へ直流から交流へ

世界における太陽電池材料別生産量世界における太陽電池材料別生産量

0

500

1000

1500

2000

2500

生産量（MW)

1990 1995 2000

西暦年

単結晶Si 多結晶Si 薄膜Si 他

体積１ｃｍ体積１ｃｍ３３の中にの中にSiSi原子は何個？原子は何個？

驚異的な数

地球：りんご＝りんご：原子

対

対

( )8 0543 10 50 109 3 22 3/ . .× = ×− −cm

過剰な電子

+ + + +ED

EC

EV

+ イオン化ドナー電子伝導体価電子帯イオン化ドナー準位

ECEVED

+ + + +

Si Si

Si Si

SiSi

Si

SiSi Ⅴ Si

Si

SiSi Si Si

不純物添加半導体不純物添加半導体 （（NN--typetype））

福岡ドーム１杯にインク１滴

太陽電池級（SOG）Si、金属級（MG）Si等低品位Siの有効利用の必要性

多結晶シリコンの需要多結晶シリコンの需要

多結晶シリコンの需要多結晶シリコンの需要

金属グレードシリコン金属グレードシリコン (3N)(3N) （（Xamen, ChinaXamen, China））

SilicaSilica

WashWash

MeltMelt

Si Melt Transfer Si Melt Transfer

SolidificationSolidification

Si MaterialsSi Materials

SilicaSilica

Wash

金属グレードシリコン金属グレードシリコン

SilicaSilica

WashWash

MeltMelt

Si Melt transferSi Melt transfer

SolidificationSolidification

IngotIngot

ElectrodeElectrodeArk furnaceArk furnace

SilicaSilica･･ChipsChips･･CharcoalCharcoal

MeltMelt

SolidificationSolidification©ECN

水素還元反応SiHCl3+H2=Si+3HCl

1100C

珪石の炭素還元SiO2+C=Si+CO2

MEMC, トクヤマ、Wacker Chemie, Dow Corning年産：２万トン

ブラジル、ノルウエー、中国

シーメンス法（化学純化法）シーメンス法（化学純化法）

高効率多結晶Si太陽電池

（目標：150μm厚セルで効率＞20%(225cm2)、コスト＜100円/W）

Ｓｉ太陽電池の製造プロセスＳｉ太陽電池の製造プロセス

実用の多結晶Ｓｉ太陽電池の構造例

Ｓｉ太陽電池の構造例Ｓｉ太陽電池の構造例

まとめ

•• 太陽電池の高効率化：太陽電池の高効率化：

16%16%-->18, 20%>18, 20%それ以上（理論値それ以上（理論値27%27%））

•• 太陽電池の低価格化：必要なものだけ作る（もったいない）太陽電池の低価格化：必要なものだけ作る（もったいない）

•• 実現するための対策：実現するための対策：

研究開発の更なる推進：世界との協力と競争研究開発の更なる推進：世界との協力と競争