実用化されている太陽電池の種類と特徴

太陽電池モジュール(ソーラーパネル/solar panel、太陽パネル、太陽電池パネル)の種類と特徴

日本の太陽光発電市場において、住宅用では主に単結晶型シリコン系パネル、産業用では主に多結晶型シリコン系パネルが好まれる傾向があり、各メーカーこの2種類のパネルのラインナップ強化に取り組む傾向があります。一方でパナソニックは独自にシリコン系パネルをハイブリッド構造にすることでさらに強化したHIT太陽電池を開発。また結晶型とは特徴が大きく異なる化合物系のパネル(ソーラーフロンティアのCIS太陽電池など)も注目が高まっています。

太陽電池を大別で理解する

以下の図は住宅用・産業用太陽光発電市場で商品化が進んでいる太陽電池(ソーラーパネル)を材料(原料)の違いで種類別に分類したものを示しています。

大きく分けてケイ素(シリコン)を原料とするシリコン系と、シリコンを使わない化合物系があります。

市場の大部分を占めるのが結晶シリコン系の太陽電池。市場によって単結晶/多結晶の割合も異なる印象がありますが、特に日本ではより高効率の単結晶が好まれる傾向があります。

同じくシリコン系のアモルファスシリコン系および、化合物系のCIS太陽電池やCdTe太陽電池は、薄膜化が可能であることから薄膜型と呼ばれることもあります。

これまでは単接合型と呼ばれるパネルで、特徴の異なる単接合型を組み合わせてどちらの強みも利用できるようにしたのが多接合型HIT太陽電池です。単結晶とアモルファスシリコンのハイブリッド太陽電池を作るパナソニックが有名です。

太陽電池の種類(ソーラーパネル)の種類

各種太陽電池の強みと弱み

以下の表は、各太陽電池の種類と特性を比較したものです。単結晶および多結晶パネルにおいては、価格と効率が製品とブランドによって差があります。

特筆すべきなのは化合物系の実発電量の多さ経年劣化の少なさから帰結するライフサイクルを通したパフォーマンスの高さです。

種類 価格 効率 実発電量 経年劣化 日本市場
での実績
単結晶シリコン太陽電池 15.5~20%
多結晶シリコン太陽電池 15~16.5%
HIT太陽電池 18~19%
アモルファスシリコン太陽電池 10%以下
CIS太陽電池 13~14%
CdTe太陽電池 13~14% -

結晶シリコン系のパネル

結晶型シリコンの単結晶および多結晶セルイメージ

単結晶セル(左)と多結晶セル(右)

シリコン系の中でも、主にインゴット(シリコンの塊)をウェハーに切り出す方法で作られるのが結晶シリコン系太陽電池。インゴットの生成において単結晶は時間をかけて結晶を成長させて作られ、結晶軸の方向が揃った均質な見た目が特徴です。多結晶は結晶軸の方向が揃っていないため、細かい結晶がバラバラと集まっている様子が見た目にも確認できます。

単結晶シリコン

単結晶シリコン系の太陽電池は、インゴット(セルのもとになる、シリコンの塊)を育成するのに手間と時間がかかるため価格が高くなりがちですが、その分変換効率が高く狭い屋根などにより多く積載できるため、特に住宅用として人気です。

生産コストが高いもののより効率の高いパネルは人気も高いために値引き率が高くなる傾向があり、その場合はコストパフォーマンスが高くなります。サンパワーの世界最高効率パネルをOEM販売する東芝がその例です。

ほとんどのメーカーが住宅用の主力製品として単結晶シリコン系の太陽電池を展開していますが、効率以外にもサイズラインナップの豊富さ、品質、価格などメーカーによって強みもさまざまです。メーカー比較と一覧では各メーカーの特徴についてより詳しくご案内しています。

多結晶シリコン

単結晶シリコンに比べ発電効率は多少劣りますが価格と性能のバランスが良く、産業用のプロジェクトで採用される例が多いです。住宅用としては京セラが多結晶パネルに特化したメーカーとして独自性を出していましたが、その京セラが単結晶パネルの取扱いを始めたことからも、日本の住宅用太陽光発電市場での単結晶の人気の高さがうかがえます。

一方海外のメーカーは、海外で主流の多結晶パネルを日本の市場でも展開している例が多い印象があります。

セルの構造や形状の違い

シリコンセルの原料の違いによってより効果で効率も高い単結晶セル、効率が低くて低価格な多結晶セルの2種類を見ましたが、セルの原料に加えてここでご案内するような構造の違いの組み合わせをそれぞれ模索しながら、メーカーごとに性能と価格の最高バランスを追及したものが製品となって私たちに提供されます。

セルの電極構造

バスバー電極とフィンガー電極

バスバー電極とフィンガー電極

通常表面に配置される電極は太いバスバー電極と、間をつなぐ細いフィンガー電極からなります。バスバーの本数によって3本バスバー電極構造のような表現でセルの構造が表されることが多くありますが、バスバーの本数による優劣は特にありません

特に太いバスバーの本数を少なくすると受光面積を広くなり、出力向上が見込まれます。一方で電極間の距離を縮めることで送電ロスを減らして出力を上げるという考え方もあります。本数よりも配線バランスが出力を決めるカギとなりそうです。

出力を上げるための究極の配線方法としては、アメリカのサンパワー社が開発したバックコンタクト方式というものがあります。通常表面に配線する電極を裏面配置にすることで、大幅な出力向上を実現しています。

セルの切り出し方法

シリコン系パネルのセルは、円柱状のインゴットの塊を切り出したのちに薄くスライスされます。

通常セルとフルスクエアセル

通常セルとフルスクエアセル

通常セルとフルスクエアセル

通常セルとフルスクエアセル

円柱のインゴットを無駄をできるだけ少なく利用するためには、右側のように四角の端が切り落とされたような形に切り出すのが通常です。

一方で、円に完全に収まる正方形に切り出すと、モジュールに組み立てた時により高い効率が見込めます。インゴットの無駄が多くなりコストが高くなるものの、特に効率の高いパネルへの需要が高い日本ではこちらを採用するメーカーが多くあります。

その他のシリコン系パネル

アモルファスシリコン

ガラスなどの基板にガス状にシリコンを吹き付けて薄い膜を堆積させる方法で作られます。シリコンの使用量が少ないことから価格が安く、薄膜化も可能であることが特徴。高温時の発電量低下が少ないといとも言われています。

一方で製品化されたアモルファスシリコンの製品では重量の面でも実発電量の面でも、結晶シリコン系パネルとの差別化が実現できていないことから理論に過ぎないという見方もあります。

メーカーではカネカがアモルファスシリコン系のパネルの大手で、住宅用および産業用の製品を開発・販売しています。

HITシリコン

ヘテロ接合(HIT)太陽電池は結晶シリコン系とアモルファスシリコン系を組み合わせて作られるので、多接合型とも呼ばれます。市場で取引されるHITパネルのほとんどがパナソニックのもので、長州産業はパナソニック製のHITパネルをOEM販売しています。

単結晶の発電効率の高さとアモルファスシリコンの高温時でも発電量が低下しにくい特徴の両方を持ち合わせたハイブリット太陽光パネルと理論上では説明されますが、実地試験における実発電量ではいまいち本領が発揮されておらず、価格に対するパフォーマンスがあまり高くない印象があります。

化合物系のパネル

製品化が進んでいるのはCISおよびCdTe

化合物系で商品化が進んでいるものには、銅(Copper)・インジウム(Indium)・セレン(Selenium)を主原料とするCIS太陽電池(これに加えてガリウム(Gallium)を使用するのがCIGS)や、カドミウム(Cd)とテルル(Te)を主原料とするCdTe太陽電池があります。

日本では化合物系の研究をいち早く始めていた昭和シェルの子会社ソーラーフロンティアがCIS太陽電池を販売していおり、年々シェアを高めています。ホンダソルテックはCIGS太陽電池を製造していましたが2014年春に完全に撤退。日本での化合物系パネルの主力プレイヤーがソーラーフロンティア以外にいなくなったと思った矢先、米最大手のCdTe太陽電池メーカーファーストソーラーの満を持した日本進出でさらに化合物系の注目が高まりそうな気配です。

コストパフォーマンスの高さは実証済み

メリット豊富な化合物系の太陽電池。まず、シリコンを使わないため省資源で製造が可能で、環境へのペイバックタイム(その製品をつくるのに要した資源に対しそれを返上するのに必要な稼働期間)が短いことが特徴です。

さらに、朝夕曇展時や、パネルに影がかかる環境、さらには高温時といった全天候において発電量がシリコン系に勝ることが実証実験でも確認されており、経年劣化も少ないことも注目されています。

デメリットとしては、絶対的な効率の低さはこれから克服していくべき問題といえます。また薄膜化が可能とされながら、実際の主力製品はシリコン系に比べても重く、屋根への負担が気になって採用を辞めるパターンも少なくないと考えられます。

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