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太陽光エネルギーを考える 東京農工大学 工学部 佐藤勝昭 お話の内容 第１部：エネルギー需要の伸びと新エネルギーの役割 第２部：太陽電池とは 第３部：我が家は太陽光発電所 第４部：これからの太陽光発電の課題 第１部：エネルギー需要の伸びと新エネルギーの役割 増え続けるエネルギー消費 増加する民生部門の消費 化石燃料に頼るエネルギー供給 新エネルギー目標値： 太陽光は2010年に500万kWh 増え続けるエネルギー消費 増加する民生部門の消費 化石燃料に頼るエネルギー供給 電力構成の推移石油火力?水力の割合は減少、石炭?ＬＮＧ?原子力の割合が増加 新エネルギー目標値 第２部：太陽電池について 太陽電池とは 太陽電池の仕組み 太陽電池の原理 太陽電池の材料 太陽電池とは 太陽電池は光を電気に変える半導体の素子である。太陽光のエネルギーの10%程度を電気に変える。 太陽電池は乾電池や蓄電池と違って電気を貯める性質はない。光がないと全く発電しない。太陽光発電器というべきである。 太陽電池の出力は直流である。そのままでは、家庭用の電源（交流）として使えない。そのためインバータという仕掛けを使って交流に変換している。 太陽電池の材料 太陽電池材料は半導体 シリコン系 単結晶シリコン: 材料高コスト, 比較的高効率 多結晶シリコン: 材料低コスト, 中効率 薄膜アモルファスシリコン: 省資源, 低効率, 劣化 薄膜多結晶シリコン: 省資源, 中効率（開発途上） 化合物系 単結晶GaAs: 超高効率, 高コスト, As含有→宇宙　 薄膜多結晶CdTe: 高効率, 低コスト, Cd含有　 薄膜多結晶CuInSe2系: 高効率, 低コスト(開発途上) 半導体とは何か 半導体とは、導体(金属)と不導体(絶縁物)の中間の抵抗率をもつ固体である。半導体にはIV属元素半導体と化合物半導体がある。 半導体の電気の流れやすさは人工的に制御することができる。 （参考）半導体とは 半導体というのは、導体(金属)と不導体(絶縁体)の中間の電気伝導率をもつ物質という意味。 金属は温度が上がると電気が流れにくくなる性質を持つが、半導体は逆に、温度が高いほど電気が流れやすくなる性質をもつ。 半導体の電気伝導性は金属と違って人為的に制御でき、抵抗値は金属に近いものから、絶縁体に近い値までをとる。 半導体のいろいろ 半導体の主役はIV属元素のSi(珪素：シリコン）：PCのCPUやメモリ(DRAM)の材料は、すべてSi。 IV属をIII属元素とV属元素で置き換えたIII-V族化合物(GaAs, InAs, GaP, GaN??）も半導体の性質をもつ。II属とVI属に置き換えたII-VI族化合物(CdTe, ZnSe??）も半導体である。 II-VI族化合物のII属金属をI属とIII属に置き換えたI-III-VI2族化合物(CuInSe2)も半導体の性質をもつ。 半導体のいろいろ 窒化ガリウム(GaN)青紫レーザ材料 炭化珪素(SiC)高耐熱 珪素（Si)：シリコン標準的半導体 ゲルマニウム(Ge)ナローギャップ 化合物半導体GaAs, ZnSe??? 半導体と周期表 結晶(単結晶?多結晶)?アモルファス 結晶：固体の原子が規則正しく配列している場合 単結晶：固体全体が単一の原子配列の結晶でできている 多結晶：固体がいくつかの単結晶の粒(grain)からなる アモルファス：固体の原子配列が長距離規則をもたない。(液体が凍結した状態)「非晶質」ともいう シリコン 珪素(Si):シリコン 純度：eleven nine99.999999999 半導体素子の材料 ガリウムヒ素 GaAs InGaP, InGaAsなどの混晶半導体が主に宇宙用太陽電池材料として活躍 太陽電池の原理 太陽電池の材料は半導体である。 半導体にはｎ型半導体とｐ型半導体がある。 n型：電子が電気伝導の主役になる半導体 ｐ型：ホールが電気伝導の主役になる半導体 ｐ型半導体とｎ型半導体を接合した構造は、電流を一方向にのみ流す「ダイオード」となる。 ｐｎ接合ダイオードのｐ/ｎ界面付近には、電子もホールもいない空乏層という領域が生じ、そこに「内蔵電界」という強い電界が生じる。 ｐｎ接合ダイオードに光をあてると界面で電子ホール対が生じ、内蔵電界によって電子はn型に、ホールはｐ型に引きよせられる。これを光起電力効果という。 ｎ型、ｐ型半導体 Si(シリコン)にP(リン)を添加すると、電子がキャリア(電気の運び手)となるｎ（=negative：負）型半導体ができる。 Si(シリコン)にB(ホウ素)を添加すると、ホール(電子の抜け孔:正の電荷をもつので正孔という)がキャリアとなるｐ（=positive：正）