３分でわかる 太陽電池の基礎知識｜発電原理・種類・特徴を解説
太陽光発電は、脱炭素社会を支える重要なエネルギー技術の一つです。その中核を担う太陽電池は、光を受けることで電気を生み出しますが、どのような仕組みで発電しているのでしょうか。
本記事では、太陽電池の基本的な発電原理を、光による電子励起や電子・正孔の働きとともに解説します。さらに、現在主流のシリコン太陽電池をはじめ、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト太陽電池など、代表的な種類とそれぞれの特徴について紹介します。
１．太陽電池とは
当連載シリーズの別記事「３分でわかる 可視光応答型光触媒とは？」では、可視光応答型光触媒が光エネルギーを利用して化学反応を起こす仕組みについて説明しました。
一方、太陽電池は、太陽光を直接電気エネルギーに変換する、太陽光発電システムの中核となる素子です。「電池」という名前がついていますが、電気をためる機能はありません。
ちなみに、太陽光発電は英語で「photovoltaic power generation」といい、「photovoltaic」を略して「PV」とも呼ばれます。
現在、太陽光発電システムは、住宅用設備から大規模太陽光発電所まで、さまざまな規模で導入されており、脱炭素社会の実現に向けて重要な役割を担っています。
２．太陽電池の発電原理
太陽電池の基本原理は、これまで説明してきた光吸収と電子励起に基づいています。
半導体が十分なエネルギーを持つ光を吸収すると、電子はより高いエネルギー状態へ励起されます。その結果、電子（e⁻）と正孔（h⁺）が生成されます。光触媒では、この電子と正孔が表面で酸化還元反応に利用されます。
一方、太陽電池では、生成した電子と正孔を分離してそれぞれの電極で回収し、外部回路に電流を流すことで電気エネルギーを取り出します（図1）。
【図1．太陽電池の発電原理】
発電の流れを簡単に示すと次のようになります。
光吸収 → 電子・正孔対の生成（電子励起） → 電荷分離 → 電極での回収 → 外部回路に電流が流れる
すなわち、光触媒と太陽電池はどちらも光による電子励起を利用していますが、
- 光触媒： 光エネルギーを化学反応に利用する
- 太陽電池： 光エネルギーを電気エネルギーに変換する
という違いがあります。
３．太陽電池の種類
現在、実用化または開発が進められている太陽電池にはさまざまな種類があります。
本記事では、代表的な太陽電池として、シリコン太陽電池、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト太陽電池を取り上げます。
（1）シリコン太陽電池
現在最も広く利用されているのが、「シリコン系太陽電池」です。
シリコン系太陽電池は、大きく「結晶シリコン太陽電池」と「薄膜シリコン太陽電池」に分類されます。
結晶シリコン太陽電池には「単結晶型」や「多結晶型」があり、薄膜シリコン太陽電池の代表例として「アモルファスシリコン太陽電池」があります。現在の主流は結晶シリコン太陽電池です。
シリコン太陽電池では、電気的な性質の異なるp型半導体とn型半導体を接合したpn接合構造が利用されています（図2）。
［※関連記事：pn接合の仕組みを概念図・バンド図でわかりやすく解説］
シリコンに微量の不純物を添加することを「ドーピング」と呼びます。
例えば、リンを添加すると電子が多いn型半導体になり、ホウ素を添加すると正孔が多いp型半導体になります。pn接合を形成した半導体に太陽光が入射すると、電子と正孔が生成されます。
これらは、pn接合近傍の空乏層に生じる内部電界によって分離され、電子はn型側へ、正孔はp型側へ移動します。この結果、電極間に電位差が生じ、外部回路に電球やモータなどの負荷を接続すると電流が流れます。
【図2．pn接合型シリコン太陽電池の仕組み】
特に結晶シリコン太陽電池は、比較的高い変換効率、優れた耐久性、豊富な実用実績といった特徴を持っています。
（2）色素増感太陽電池
色素増感太陽電池（DSSC）は、色素分子が光を吸収し、その励起電子を半導体電極へ注入することで発電する太陽電池です。前回紹介した色素増感法と同じ考え方が利用されています。
代表的な色素増感太陽電池は、増感色素を吸着させた多孔質二酸化チタン（TiO₂）電極、電解質、対極などから構成されます。二酸化チタン自体は主として紫外光を吸収しますが、その表面に可視光を吸収する色素を吸着させることで、太陽電池として可視光も利用できるようになります。色素が可視光を吸収すると、色素中の電子が励起され、その励起電子が二酸化チタンの伝導帯へ注入されます。
［※関連記事：３分でわかる 二酸化チタンの光散乱特性］
その動作原理について、ルテニウム錯体色素を例に説明します（図3、図4）。
【図3．色素増感太陽電池の仕組み】
【図4．二酸化チタンの光増感に使われるルテニウム（II）錯体の例】
- ① 色素であるルテニウム錯体が光を吸収して励起され、励起電子が二酸化チタンの伝導帯へ注入されます。
- ② 注入された電子は多孔質二酸化チタン層を移動して導電膜に集められ、外部回路へ流れます。
- ③ 電子を失って酸化された色素は、電解質中の酸化還元媒体（レドックスメディエーター）から電子を受け取り、元の状態に戻ります。
- ④ 酸化された酸化還元媒体は、対極で外部回路から電子を受け取り、元の還元状態に戻ります。
色素増感太陽電池は構造が比較的単純で、製造コストを低く抑えられる可能性がありますが、耐久性や変換効率の向上が課題となっています。
（3）有機薄膜太陽電池
有機薄膜太陽電池は、有機半導体材料を利用した太陽電池です。
軽量で柔軟性が高く、フィルム基板上に形成できることが特徴です。そのため、ウェアラブル機器、建築材料、IoTデバイスなどへの応用が期待されています。
一方で、耐久性や変換効率にはさらなる改善が求められています。
（4）ペロブスカイト太陽電池
近年、次世代太陽電池として特に注目されているものの一つが、ペロブスカイト型結晶構造を持つ材料を光吸収層に利用したペロブスカイト太陽電池です。
高い変換効率を示すほか、薄膜化しやすいため、軽量で柔軟な太陽電池への展開が可能です。また、塗布などの比較的簡便な製造プロセスを利用できることから、製造コストの低減も期待されており、世界各国で研究開発が進められています。
一方、実用化に向けては、長期安定性の向上、大面積で均一な膜を形成する量産技術の確立、鉛を含む材料の環境負荷低減、回収・リサイクル方法の確立などが課題となっています。
４．太陽電池に求められる性能
太陽電池の開発では単に発電できればよいわけではありません。
実用化のためには、光電変換効率、耐久性、安全性、製造コスト、原材料の安定供給などを総合的に考慮する必要があります。
例えば、シリコン太陽電池は信頼性が高い一方、製造工程で高温処理を必要とするため、製造時のエネルギー消費や設備投資の負担が比較的大きいという課題があります。
一方、ペロブスカイト太陽電池は低コスト化が期待されていますが、実用化に向けては、変換効率と長期耐久性を両立させることが重要な課題となっています。
そのため、現在の研究開発では、高効率化と実用性の両立が大きな目標となっています。
５．まとめ
太陽電池は、光エネルギーを直接電気エネルギーへ変換する素子です。その基本原理は、光吸収による電子励起と電子・正孔対の生成、さらにそれらの分離と回収に基づいています。
現在では、シリコン太陽電池、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト太陽電池など、すでに広く実用化されているものから、実用化に向けて研究開発が進められているものまで、さまざまな種類があります。特にペロブスカイト太陽電池は、高い変換効率と低コスト化が期待される次世代太陽電池として注目されています。
本シリーズでは、
を通して、光エネルギー利用技術の基礎を解説してきました。
光エネルギーを化学エネルギーや電気エネルギーへ変換する技術は、今後の脱炭素社会を支える重要な基盤技術といえるでしょう。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 H・L）
