太陽光発電の仕組みを詳しく解説

ここでは太陽高発電がなぜ発電するか、太陽電池が電気をつくれるのはどうしてなのか、といった素朴な疑問を解説してみました。これから太陽光発電を検討しそうな方で、そんな疑問が生じた際は参考にしてみてください。

太陽光発電の仕組み

【太陽光発電は光エネルギーで発電するシステム】
太陽光発電は、太陽の光エネルギーを電気に変換する発電システムです。太陽のエネルギーを活用した家庭用設備機器に太陽熱温水器がありますが、こちらは同じ太陽のエネルギーの活用といっても“熱エネルギー”を利用して給湯用の温水をつくっている設備です。太陽光発電で活用されるのは光エネルギーであり、熱は発電に全く関与していません。

太陽光発電は太陽光の照射によって発電する設備ですから、晴れた日であれば太陽が昇ると同時にジワジワと発電をはじめます。そして真夏であれば正午ごろに発電量はピークをむかえ、その後もずっと発電しますが、日が沈むにつれて発電量は少なくなり、日没をむかえると発電は止まります。
(ちなみに真夏の正午の太陽光は1平方メートルあたり約1kwものエネルギーを持っていると言われています。)

なお太陽光発電システムは、発電した電気を貯めておくことができませんので、日没以降夜間は、電力会社から送られてくる電気を使うことになります。また日中であっても天候の状況からあまり発電量が少なく消費に追いつかない場合は、電気会社の電気を使用します。発電システムで電気を貯めることはできないですが、足らなくなるとすぐ電力会社の電気が使えますので、発電量不足で電気が使えなくなる心配はありません。

【太陽光で発電した電気を家庭内で使えるようにするパワーコンディショナー】
太陽光発電は光エネルギーを電気に変換するシステムとも言えるわけですが、屋根でつくられた電気を家庭内で使用するには、太陽電池で発電した直流電気を交流電気に変換しなければなりません。

直流とは一方向にのみ流れる電気で、交流は簡単に言うと、電気の流れる方向が行ったり来たりする電気です、
直流電気は電池に代表される電気ですが、太陽光発電は乾電池のように電気の貯蓄がありませんので、同じ電池とは言っても、太陽光発電はまるで自転車操業のような状態だた言えます。また太陽光発電でつくられるで直流の電気は、天候によって電気の量が左右されるため、そのままでは非常に不安定で家庭内で使うことがほとんどできません。そこでコンセントから得られるような安定した交流の電気に変換するため、太陽光発電では、屋根上でつくられた電気を、パワーコンディショナーという機器で交流電気に変換しています。

太陽光発電の周辺機器には、ほかにもいろいろありますが、発電した電気を消費できる(または売電できる)安定した電気にするパワーコンディショナーは、太陽光発電のなかでは太陽電池モジュールとともに重要な機器になります。

太陽電池の仕組み
太陽光発電は、太陽の光エネルギーを電気に変換する発電設備で、つくられた電気はパワーコンディショナーという機器で安定した交流電気に変換して、家庭内で使えるようになるということですが、光エネルギーからなぜ電気がつくられるか解せないと思われる方もいることでしょう。これを理解するには太陽電池の仕組みを知る必要があります。

【太陽電池がなぜ発電するか】
太陽光発電の太陽電池は現在いろいろな種類がありますが、ここでは代表的な結晶シリコンの太陽電池で、その仕組みをみていきましょう。

太陽電池は、電池というぐらいですから、+極と−極があってはじめて電気の流れが生まれます。もちろん太陽電池にも+極と−極があるのですが、太陽電池の場合は太陽光の照射によって電子が動き、プラス帯電とマイナス帯電が電池内に生成され、電気が取り出せるようになっています。これをもう少しかみ砕いてみましょう。

ところで電子というのは、身の回りの物質に無数に存在するもので、太陽電池のような物質だけに存在するものではありません。そして電子は光エネルギーに敏感に反応し、また光エネルギーを素早く吸収する性質があります。太陽電池はシリコンを材料とした半導体の性質をもつ物質ですが、ここにも電子が存在します。そして半導体は、光エネルギーを吸収した電子を選別して、これの電子を動かす特性があります。
この特性をもう少し詳しくみていきましょう。

半導体にはn型半導体と、p型半導体の2種類があります。そして太陽電池はn型とp型の半導体を積みあわせた構造になっています。

n型半導体は動きが活発な電子(伝導電子)が多く、この電子は外へ逃げ出す傾向があります。反対にp型半導体は伝導電子が少なく、逆に“正孔”と呼ばれる電子が不足している場所をもっています。そのため、太陽電池のようにn型とp型が接合された構造では、n型からp型へ電子が逃げ出すようになります。そして、もともとマイナスの性質をもつn型半導体は、電子が足らなくなりプラスに帯電するようになります。いっぽう、もともとプラスの性質をもつp型のほうはマイナスに帯電するようになります。

そしてこの状態になると、n型・p型の接合部分にはそれぞれの電荷を打ち消しあう電界が形成されます。そしてこの状態で光エネルギーが半導体に当たると、伝導電子がp型へ逃げ出そうとしますが、電界部分で反発にあい、n型へ追い返され、同様に“正孔”もp型に追い返されます。
この反発・追い返しの力こそが「光エネルギーを吸収した電子を選別して、これを動かす」半導体の特性ということです。この特性(反発・追い返し)によって、電子は電池外部に押し出され、外部の電気回路に電力が供給されるのです。なお光エネルギーが当たってる間は、ずっと反発・追い返しの力がかかることになります。

【太陽電池の材料の違い】
太陽電池はいくつかの種類があり、主に材料によって違ってきます。

代表的な太陽電池を簡単に解説しておきましょう。

・単結晶シリコン
もっとも歴史のある太陽電池ですが、高純度のシリコン単結晶インゴットを基盤として使用するため、生産に必要なエネルギーやコストが高く、実売価格も高くなります。そのため一時、国内メーカーの主力商材から、単結晶シリコンは姿を消していました。しかし、中国やアメリカなどの海外メーカーは、かなり前から、比較的安価な単結晶シリコンの太陽電池を供給してきました。
単結晶シリコンは高い変換効率が特徴となります。

単結晶シリコンの太陽光発電システムでは、中国本社のサンテックパワージャパンが有名ですが、2010年東芝が米サンパワー社からOEM供給を受けた単結晶シリコンのシステムを出したことから、現在では三菱やシャープでも単結晶のシステムを主力化しそうな状況になっています。
これはこれまでにない新たな動きと言えるでしょう。

・多結晶シリコン
高効率ですが高価となる単結晶シリコンにかわって登場したのが多結晶シリコンの太陽電池です。製造過程で生じた端材やオフグレード品のシリコンを使用しているため、単結晶より安価に供給でき、住宅用太陽光発電の普及に大きく貢献してきた太陽電池です。日本の主力メーカーであれば、かならず多結晶シリコンのライナップが見つかるはずです。

なお多結晶シリコンは単結晶より変換効率は劣りますが、住宅用太陽光発電の発電量としては十分なものです。出荷量は現在でも多結晶シリコン太陽電池がいちばん多いはずです。

・アモルファスシリコン
アモルファスシリコンは、形状的には薄膜型太陽電池にも分類されますが、代表的にはパナソニック(旧三洋電機)の『HIT』と言う単結晶シリコンとのハイブリッドモデルに使用されていることで、一般的には知られています。薄膜アモルファスは、性能面から、大きな設置面積で展開できる使用方法に向くため、住宅用としてアモルファスシリコン単体で使われることはまずありません。

なおアモルファスシリコンは、結晶シリコンとは違い、高温時でも発電量がダウンしにくいというメリットがあります。パナソニックの『HIT』は、そうしたアモルファスの特性を単結晶シリコンと組み合わせることで(ハイブリッド)、高い変換効率と温度特性の強さを特徴としています。

・化合物系(CIS型)
化合物系の太陽電池は、材料に銅、イジウム、セレンなどを材料とする太陽電池で、脱シリコンの動きから研究開発が進められてきた太陽電池です。シリコンを使用していませんが、半導体の性質を利用した発電方式を持つことで、結晶シリコンと変わりません。

国内ではソーラーフロンティアが有名で、化合物系のネックとなっていた変換効率も年々改善されており、住宅用としても本格的に検討する方が急増しています。
(ソーラーフロンティア以外ではホンダソルテックも化合物系のシステムを製造販売しています)

特性として、アモルファスシリコンと同様に発電量が温度環境に左右されないこと、吸収する(反応する)光の種類が多いため、影がかかっても発電量が落ちないといったなかなか良い特性があります。
またアモルファスシリコンほど薄く形成されませんが、結晶シリコンより軽量薄型であり、製造コスト・実売価格ともに相対的に安くあがります。電池モジュールの色が真っ黒に見えるのもこの太陽電池の特徴と言えるでしょう。

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