光デバイス／太陽電池

１０．太陽電池のエネルギー変換効率

　太陽電池は太陽の光のエネルギーを電気のエネルギー（電力）に変換する装置ですが、太陽電池の表面に当たった光のエネルギーをすべて電力に変換できるわけではありません。どの程度変換できるかの割合をエネルギー変換効率と言います。これはどの程度の値になるのか調べてみましょう。

　前項で示した太陽電池の特性曲線をもう一度示します（図１０－１）。この太陽電池に抵抗値Ｒの抵抗器を繋いだときに発生する電圧と電流はこの曲線と抵抗を表す直線との交点から求められます。その電圧と電流の積が、変換されて取り出される電力になります。

　Ｒの値を変えると電圧と電流の値が変わり、取り出される電力の値が変わります。そしてあるＲ＝Ｒ_ｍの値を選んだとき、電力の値が最大になります。このときの電圧をＶ_ｍ、電流をＩ_ｍとすると、最大の電力Ｐ_ｍはＶ_ｍ×Ｉ_ｍになります。

　この値は図からわかるように、開放電圧Ｖ_ｏと短絡電流Ｉｓの積より小さくなります。Ｐ_ｍ（＝Ｖ_ｍ×Ｉ_ｍ）とＶ_ｏ×Ｉ_ｓの比の値をフィルファクター（fill-factor、ＦＦ）と言います。太陽電池から取り出せる最大の電力Ｐ_ｍはこのＦＦが１に近いほど大きくなります。また同じＦＦならば、Ｖ_ｏ×Ｉ_ｓが大きい方が電力は多く取り出せることになります。

　太陽電池のエネルギー変換効率はＰ_ｍを入射する太陽光のエネルギーで割った値のことです。なぜ入ってきた太陽光エネルギーがすべて電力に変わらないで減ってしまうのでしょうか。理由はいくつかあります。

　太陽光は紫外光から赤外光までかなり広い範囲の波長を含んでいることはすでに説明しました。太陽光のエネルギーはこのすべての波長の光のエネルギーの総和です。ところがｐｎ接合を使った太陽電池はこのすべての波長の光を利用できません。

　半導体中で電子と正孔を作るにはバンドギャップエネルギー以上のエネルギーが必要です。例えばシリコンのバンドギャップエネルギーは約１．１ｅＶで、これは波長に直すと１，１μｍに相当します。ということは１，１μｍより長い波長の光では図１０－２に示したようにエネルギーが不足して電子と正孔はできないことになります。太陽光には１．１μｍより長い波長の成分が多く含まれているので、その分は電力に変換されずに太陽電池を通り抜けてしまいムダになってしまいます。このムダになる分はシリコンの場合、４４％にもなります。

　一方、太陽光には１．１μｍより短い波長の光も多く含まれています。このような光が当たった場合はその分高いエネルギーをもった電子と正孔ができます。しかしこの余分なエネルギーは電力としては取り出されず、出てくるエネルギーは１．１μｍの光を当てたときと同じになります。図１０－２に示すように過剰なエネルギー分は失われます。失われたエネルギーはどこへいくかというと熱になってしまい、電力にはなりません。短い波長の場合は光は吸収され、電子と正孔ができますから、長い波長の場合のように光のエネルギーがすべてムダになるわけではありませんが、それでもこの分のムダは約１１％になります。

　まだこれ以外にも効率を下げる要因があります。シリコンのバンドギャップエネルギーＥｇは約１．１ｅＶでこれに相当するエネルギーの光を受け取って電子と正孔ができているわけですから、電子のエネルギーは１．１ｅＶだけ増加しているはずです。１．１ｅＶのエネルギーとは１個の電子がもっているエネルギーを１．１Ｖの電位だけ引き上げるエネルギーに相当しますから、本来開放電圧は１．１Ｖになるはずです。ところがシリコンのｐｎ接合では開放電圧は０．７Ｖくらいにしかなりません。これによって残った分の３７％、全体とすれば約１７％のエネルギーが失われていることになります。

　これらを差し引くと結局、シリコン太陽電池はもっともよくても２８％程度の変換効率しか得られないことになります。実際にはさらにいろいろな理由で変換効率は下がってしまい１０数％になっています。

　以上のことはシリコン以外の材料を使った太陽電池でも同じように考えられ、それぞれ大体最大でどのくらいの変換効率が得られるかがわかります。