特集／電池性能向上の鍵を握る粉体技術 太陽光発電と粉体技術の展開 Photovoltaic Power Generation and Powder Technology 宇佐美 章 Akira USAMI ㈶電力中央研究所 Central Research Institute of Electric Power Industry バータ機能を備えたパワーコンディショナーを介し １．太陽エネルギー利用と太陽光発電の概要 て，配電線からの配線と家庭内で並列に接続される。 太陽光発電システムから供給される電力は日射強度な どに依存して増減するため，家庭内での電力需要にあ 1.1 太陽エネルギーと太陽光発電 太陽の表面温度は5700K で3.8×10 kW のエネルギ わせて発電できるわけではない。そのため，一般に ーを放射している。太陽から１億5000万 km 離れた地 は，太陽光発電システムの発電電力に余剰分が生じた 球には，そのうち，1.8×10 kW のエネルギーが到達 場合には配電線に逆潮流することにより，この余剰分 する。これは，大気圏外で太陽に向けた１m 四方の を電力会社に買い取ってもらう。また，逆に，太陽光 面で約1.4kW に相当する。地上には，快晴日に太陽高 発電システムの発電電力が家庭内の電力需要に対して 度が高い時に約1.0kW/m2のエネルギーが到達してい 不足している場合には，配電線から不足分を購入す る。この太陽光のエネルギーを直接電気エネルギーに る。電力会社に電力を売るときの値段と買う時の値段 変換するのが太陽光発電である。 は長らく同額を維持してきたが，昨年の11月１日よ 太陽光のエネルギーを電力に変換する素子が太陽電 り，新たな電力買取制度が始まり，従来のほぼ倍の48 池である。太陽電池の発電電力は直流であるため，家 円 /kWh で10年間電力会社に買い取ってもらえるよ 庭内の機器で使用する際に直流を交流に変換する必要 うになった１）。 23 14 がある。このため，太陽光発電システムは，このイン 4 配電線への逆潮流 （電力会社への売電） 電力 3 1kWhあたり約23円→48円へ （ドイツなど：約70円(20年間など) 固定価格買い取り制度FIT） 配電線からの受電 （電力会社からの買電） 2 1 0 0 6 12 18 24 時刻 図１ 系統連系システムの例（負荷は秋季の住宅地区を想定） ─8─ 粉 砕 No. 54（2011） ⚿᥏䉲䊥䉮䊮㩷 䉲䊥䉮䊮♽㩷 䉝䊝䊦䊐䉜䉴䉲䊥䉮䊮㩷 න⚿᥏䉲䊥䉮䊮㩷 ฎ䈒䈎䉌䈱ᄥ㓁㔚ᳰ䇯㜞ଔ䈣䈏㜞ᕈ⢻㩷 ᄙ⚿᥏䉲䊥䉮䊮㩷 ᐢ䈒᥉䈚䈩䈇䉎ᄥ㓁㔚ᳰ䇯න⚿᥏䉋䉍ല₸䈲䉇 䉇⪭䈤䉎䈏䇮⋭䉣䊈䈎䈧ଔ䈭ᣇᴺ䈪ㅧน⢻㩷 ᓸ⚿᥏䉲䊥䉮䊮㩷 䊓䊁䊨ធว㩿㪟㪠㪫㪀㩷 㪸㪄㪪㫀㪆㪺㪄㪪㫀䈪㫇㫅䊓䊁䊨ធว䉕ᒻᚑ䇯৻⥸⊛䈭න⚿ ᥏䉲䊥䉮䊮䉋䉍㜞ല₸㩷 ⭯⤑䉲䊥䉮䊮ᄙធว㩷 㪠㪠㪠㪄㪭ᣖ䋨㪞㪸㪘㫊䈭䈬䋩㩷 ൻว‛♽㩷 㪚㪠㪞㪪♽㩷 㪚㪻㪫㪼㩷 ᄙធว㩷 㓸శ㩷 㪸㪄㪪㫀䈪ๆ䈪䈐䈭䈇శ䉕㫄㪺㪄㪪㫀䈏䈉ᄙធ ว䇯䉇䉇㜞ല₸䈪ଔ㩷 㕖Ᏹ䈮㜞ല₸䇯䈖䉏䉕ᵴ䈎䈜䈢䉄䈮ᄙធ ว䉇㓸శ䈭䈬䈏㐿⊒䈘䉏䈩䈇䉎㩷 ᧚ᢱ⸳⸘䈱⥄↱ᐲ䈏㜞䈒䇮ૐ䉮䉴䊃䈎䈧⚿᥏䉲䊥䉮䊮♽ᄥ㓁㔚ᳰ䈮ᢜ䈜䉎ല₸㩷 㪚㪠㪞㪪♽ᄥ㓁㔚ᳰ䉋䉍䈲ല₸䈲⪭䈤䉎䈏䇮ૐଔᩰ䈪⽼ᄁ㩷 ⦡⚛Ⴧᗵဳ㩷 ⎇ⓥ㐿⊒Ბ㓏䇯ല₸䈲䉇䉇⪭䈤䉎䈏䇮ૐ䉮䉴䊃ൻ䈱ᦼᓙ㩷 ᯏ♽㩷 䊋䊦䉪䈻䊁䊨ធวဳ㩷 ⪚⧘⊛䈭ᄥ㓁㔚ᳰ䇯ᯏඨዉ䉕↪䈇䉎䇯ૐ䉮䉴䊃ൻ䈱ᦼᓙ㩷 図２ 太陽電池の種類と特性 1.2 太陽光発電の利点と欠点 地域や年によって異なるが，１kW の太陽光発電シス 太陽光発電の主な利点と欠点は以下のようなものが テムの日本での発電実績はおおよそ年間1000kWh 程 挙げられる。 度であり，設備利用率は10％強程度である。 利点 ・太陽光は無尽蔵なエネルギー源：資源の偏在性，価 格変動リスクが少ない ・環境にやさしい：CO2排出，エネルギー・ペイバッ ク・タイム ２．太陽電池の種類と特性 太陽電池は構造面からは単接合と多接合に分類され る。多接合は分光特性の異なる太陽電池を複数重ねて その他の利点：雇用の創出，電力需要ピークカット 効果など 性能を高めたものを指す。一般に，多接合は単接合に 比べて高効率化が可能とされており，単接合の理論的 欠点 な変換効率の限界値が30％程度とされているのに対し ・発電コストが高い て，集光した多接合の太陽電池では40％を超える変換 ・システム利用率が低い 効率も報告されている３）。 ・発電が天気次第 太陽電池の使用材料面からの分類を図２に示す。効 その他の欠点：シリコン原料不足，外観・デザイン 率面では，GaAs を始めとする III-V 族半導体や単結 など 晶シリコンを用いた太陽電池が性能が高く，セルレベ 環境面の利点は，発電時の CO2排出が無いために，化 ルの世界最高で25％程度の効率がある。一方，コスト 石燃料を用いた発電方式と比較して，CO2排出量が10 面では，現在開発中である有機系太陽電池が有利とさ 分の１程度以下に抑えることが出来るとされている。 れている。しかし，その効率は，現状では，セルレベ さらに，太陽電池は製造のために消費したエネルギー ルの世界最高で，良くて10％前後である。この中間に を２年前後で回収できる（エネルギー・ペイバック・ CIS 系等の薄膜太陽電池があり，例えば CIS 系のセル タイム）と試算されており ，仮に20年以上に亘って レベルの世界最高で20％前後の効率となっている。 ２） 使用するとした場合，製造のために使ったエネルギー の10倍以上のエネルギーを生み出すことが出来る。 欠点としては，太陽光発電の発電コストは現在おお ３．太陽電池と粉体 よそ46円 /kWh と試算されており，他の発電システム 太陽電池での粉体利用は，色素増感太陽電池でのナ の倍以上の発電コストが掛かるとされている。また， ノ微粒子の利用４），量子ナノドットによる超高効率化 ─9─ ●特集／電池性能向上の鍵を握る粉体技術 ㉄ൻ䉼䉺䊮ᓸ⚿᥏ဋ৻ጀ⤑ ኻะ㔚ᭂ䋺ᱜᭂ 䌾㪉㪇㫅㫄 ᄥ㓁శ ㅘዉ㔚⤑ 㩿㪝㪫㪦㪀 ⽶ᭂ Ⴧᗵ⦡⚛ 㪥㪎㪈㪐 㔚⸃ᶧ ⊕㊄⸅ᇦ 図３ 色素増感太陽電池の構造例 の可能性５）などが挙げられる。 程度が限界とされている。これは，太陽光中のエネル 色素増感太陽電池は，半導体と電解液界面で電荷分 ギーの大きい紫外光を有効に使用すると高い電圧が得 離をおこなう湿式太陽電池に起源を発する。ここでは られるものの，紫外光しか電流に変換できないために 光吸収は半導体で行われていたが，電解液界面が安定 電流値が小さくなり，逆に，電流値を増やすために近 な半導体は禁止帯が広い酸化物に限られているため， 赤外のエネルギーの低い光まで吸収すると，電圧が下 太陽光のうちの紫外光しか利用できずに効率が低かっ がることによる。すなわち，通常の太陽電池では，１ た。そこで，酸化物の安定性を利用しつつ，より長波 個のフォトンから１個の電子しか生成しないために， 長の可視光まで光吸収領域を広げるために，色素を半 紫外光の高いエネルギーの多くを熱に変えてしまうこ 導体表面に吸着させて，この色素により光吸収を補う とによる。このエネルギーの余剰分を使って更に別の ことが考案された。歴史的には，1972年に酸化亜鉛を 電子を生成できれば，前記の限界効率を大きく上回る クロロフィルで増感した太陽電池が作られている。そ 太陽電池を作ることが可能とされている。近年，この の後，酸化亜鉛をローズベンガル等で増感することに フォトンによる多電子の励起を，一部の化合物半導体 より，効率１∼2.5％程度のものが発表されている。 のナノ微粒子で効率よく行うことが出来ることが確認 この色素増感太陽電池の半導体に，酸化チタンの微結 されている６）。 晶粉末を利用することにより，色素吸着面積を大幅に 増加させたのが，スイスのローザンヌ連邦工科大のグ 参考文献 レッチェルらのグループであった。1990年代初めに７ １）資源エネルギー庁太陽光発電買取制度室：太陽光 ∼10％の効率の太陽電池を発表している。この酸化チ 発電の新たな買取制度ポータルサイト タン微結晶には，主要な光吸収材である色素を表面に http://www.enecho.meti.go.jp/kaitori/index.html 吸着させる役割と，色素の光吸収によって高い負の電 ２）みずほ情報総研株式会社,NEDO技術開発機構「新 位に励起された電子を色素から受け取り，太陽電池の エネルギー技術研究開発太陽光発電システム共通 負極に伝導させる役割があり，酸化チタン微結晶が電 基盤技術研究開発太陽光発電のライフサイクル評 池性能に与える影響は大きい。このため，酸化チタン 価に関する調査研究」平成19年度分中間年報. 微結晶に関する研究報告は多数有り，電子が負極に到 ３）R.R.King et al.,“40% efficient metamorphic 達するときに通らなければならない微結晶粒界を減ら GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar すことを目的に，ナノ微粒子をナノチューブに代える cells”,Appl.Phys.Lett.90,183516（2007） . ことなどが考えられている。 ４）M.Grätzel,“Photoelectrochemical cells” ,Nature また，量子ナノドットを利用することにより，極め て効率の高い太陽電池が製作できる可能性があること 414,338-344（2001）. ５）A.J.Nozik,“Quantum dot solar cells” ,Physica E が指摘されている。単接合の太陽電池では，効率30％ ─ 10 ─ 14,115-120（2002） . 粉 砕 No. 54（2011） ６）R.D.Schaller and V.I.Klimov,“High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nano- crystals: Implications for Solar Energy Conversion” , Phys. Rev.Lett. 92,186601（2004） . Captions Fig. １ Daily power production and load curves of a grid-connected PV system Fig. ２ A classification and characteristics of solar cells Fig. ３ A structure of dye-sensitized solar cells ─ 11 ─
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