01
動く部品なしで、光から電気をつくる
ここに見えているのは、よく晴れた春の日の、家の平らな屋上です。3枚の太陽光パネルが傾いた架台の上に並び、南を向いています。太陽は東から昇り、正午まで高くなって、西に沈みます。ゲージには、パネルに当たる光と、パネルが生む電力が表示されます。日の出前はゼロ、正午ごろに最大、日の入り後はまたゼロです。今日のように晴れた日なら、パネル1枚で約2.3〜2.7kWhの電気をつくります。この緯度で、曇りや雨の日も含めた3月の平均的な一日なら、約1.8〜2.1kWhです。
列の西端のパネルを、これからの章で開いて中を見ていきます。2020年代前半の典型的な屋根用パネル、JinkoSolar Tiger Neo 420Wです。大きさは1722×1134mm、重さは22kgです。厚さ3.2mmのガラスの下に、シリコンのハーフセルが108枚、横6枚、縦18枚の格子に並んでいます。動く部品はなく、電気をためることもしません。光が当たっている間だけ電気をつくります。新しいパネルはセルが大きく、両面がガラスですが、しくみは同じです。
ラベルには420Wと書かれています。これはパネルの定格出力で、1000W/m²の試験用の光のもと、セルを25°Cに保って測った値です。この試験では、光の21.5%を電気に変えます。実際の屋根は、そこまで甘くありません。北緯40°のこの屋上では、晴れた春の正午にパネルに届く光は約970W/m²で、セルは25°Cよりずっと熱くなります。そのため出力は約380W、ラベルの90%ほどです。熱が出力を奪うようすは、最後の章で見ていきます。
パネルには三つの仕事があります。光をとらえること。その光でシリコンの中の電子を解き放つこと。そして、その電子を集めて電流にすることです。そのあと、壁に付けたインバーターという箱が、この電流を家で使える電気に変えます。この先の各章で、一つずつ順に見ていきます。タイムラインをドラッグすると太陽が動き、再生速度を変えると一日が速く、またはゆっくり進みます。モデルはドラッグして回せます。太陽の通り道、拡大したセル、電流の流れ、ラベルをオンにすると、さらに詳しく見られます。
02
正午の太陽を見上げるように
モデルが見せているのは春分・秋分の日です。3月と9月に一度ずつ訪れる、昼と夜の長さがほぼ同じになる日です。北緯40°、マドリードやフィラデルフィア、北京とほぼ同じ緯度では、太陽は太陽時の06:00に真東から昇り、18:00に真西へ沈みます。太陽時は太陽そのものに合わせた時刻なので、正午は太陽がいちばん高くなる瞬間です。この日は、南の地平線から50°の高さです。パネルは南を向き、その正午の太陽のほうへ傾いています。
光が面に斜めに当たると、より広い面積に広がるので、同じ広さに届く光は少なくなります。懐中電灯を壁にまっすぐ向けてから、傾けてみてください。光の輪が大きくなり、暗くなります。これがコサイン則で、太陽とパネルの角度がこれほど大切な理由です。正午には、日光がこのパネルにほぼ正面から当たります。朝や夕方には、光が大きく斜めから差し込み、薄く広がってしまいます。
空気も影響します。正午の日光が通り抜ける空気の量は、太陽が真上にあるときの1.3倍です。この数字をエアマスと呼びます。日の出や日の入りのころは、光が空気の中をずっと長く進みます。空気が青い光の多くを散らしてしまうので、低い太陽はオレンジや赤に見え、届くエネルギーもずっと少なくなります。正午には、このパネルに約970W/m²の光が届きます。屋根に平らに寝かせたり、壁のように立てたりすると、これより少なくなります。
春分・秋分の日には、いちばんよい傾きは緯度と同じ40°で、このパネルの35°もほとんど負けていません。屋根のパネルは太陽を追いかけません。家の屋根では、モーターを付けても費用と重さに見合うことはまずないからです。光の一部は、太陽の円盤だけでなく空全体からも届きます。この散乱光のおかげで、曇っても発電は減るだけで止まりません。モデルの空は教科書どおりの快晴で、雲も、物が落とす影もありません。傾きをドラッグするか、一日の三つの場面に移動してみましょう。
03
ほとんどガラスでできたサンドイッチ
パネルをばらしてみると、表側から順に重ねたサンドイッチになっています。いちばん上は厚さ3.2mmの低鉄分の強化ガラスです。安くて丈夫、劣化しにくく、とても透明なので、パネルメーカーはこのガラスを選びます。強化処理のおかげで、雪の重みにも耐えられます。ガラス自体にも反射防止コーティングが施されていて、表面ではね返る光が減り、より多くの光がセルに届きます。このモデルでは、拡大したセルも含めて、薄い層を実際よりずっと厚く描いています。
ガラスの下には、透明で粘りのあるフィルム、封止材があります。たいていはEVAという樹脂です。工場で層を重ねたまま全体を加熱すると、このフィルムが層どうしを貼り合わせ、空気も水も入らない一つの密閉されたかたまりにします。その下にセルがあります。厚さ約7分の1ミリのシリコンの薄い板です。その上を細い線が走り、電流を運び出します。このパネルは、平たい帯を数本使う代わりに、細い丸線をたくさん使っています。セルの下には、もう1枚の封止材があります。
パネルの裏は、バックシートと呼ばれる丈夫な樹脂フィルムです。湿気を防ぎ、配線を絶縁します。アルマイト処理したアルミのフレームが縁を囲み、パネルを補強して、取り付け金具がつかむ場所にもなります。裏面にはジャンクションボックスがあり、ここで配線がケーブルへつながります。中には三つのバイパスダイオードも収まっています。これは配線の章で説明します。重さでいえば、パネルの約4分の3はガラスです。実際に働くシリコンは、そのほんの一部にすぎません。
セルはほとんど黒く見えます。むき出しのシリコンはつやがあり、光をたくさんはね返します。そこでセルの表面に薬品で小さなピラミッド状の凹凸をつけ、窒化シリコンの薄い膜で覆います。膜の厚さは反射がごくわずかになるように調整されていて、その厚さが目に見える色も決めています。黒いほど高性能というわけではありません。このパネルのオールブラック版は、定格出力が少し低くなっています。層を引き離してから一つを選び、何でできていて、どんな役目をしているのか見てみましょう。
04
光子一つに、電子一つ
光は、光子と呼ばれる小さなエネルギーの粒でできています。シリコンが光子を一つ吸収すると、原子をつなぐ結びつきから電子を一つ引きはがすことがあります。自由になった電子は、結晶の中を動き回れるようになります。電子が抜けたあとにはホール（正孔）と呼ばれるすき間が残り、このホールも水の中の泡のように動き回ります。光子一つで解き放てる電子は、多くても一つです。強い日差しの下では、ハーフセル1枚が毎秒約4×10¹⁹個の電子を解き放ちます。パネルの上に浮かぶ拡大したセルで、セルの断面が働くようすを見られます。
電子を解き放つには、光子に少なくとも1.12eVのエネルギーが必要です。これがシリコンのバンドギャップです。光は青いほど、光子一つのエネルギーが大きくなります。400nmでは3.1eV、600nmでは2.1eV、1000nmでは1.24eVです。約1100nmより長い波長の光子は弱すぎて、素通りしてしまいます。これは日光のエネルギーの約19%、光子の数では3分の1にあたります。青い光子は必要以上のエネルギーを持ち込み、余った分は熱になります。これが日光の約30%です。この二つの損失が、一つの材料でできたセルが約33%を超えられないおもな理由です。
光は色ごとに、吸収される深さが違います。400nmの青い光は、表面からわずか0.1µm以内で吸収されます。680nmの赤い光は約4.5µmまで届きます。1000nmの赤外線は156µmも進み、厚さ140µmのウェハー全体より深くまで入り込みます。そこでセルは光閉じ込めに頼ります。ピラミッドが光を斜めに送り込み、セルの裏側が光を反射して、もう一度通らせるのです。シリコンで届きうる上限は29.4%で、最高のシリコンセルは28.1%に達しています。一般的な新しいパネルは約22〜23%です。
解き放たれた電子とホールは、また出会ってしまう前に仕分けなければなりません。セルには、電子は通すけれどホールは通さない層と、その逆の層が作り込まれています。これらの層が一方通行の扉の役目をするので、電子は片側に、ホールは反対側にたまっていきます。この偏りが電圧になり、セル1枚あたり約0.7Vです。このn型セルでは、電子は裏側から、ホールは表側の銀のフィンガー電極から出ていきます。断面の図にはフィンガーが一本だけ描かれ、バスバーは描かれていません。スライダーで光の色を変えて、それぞれの光がどこで止まるか見てみましょう。
05
いちばん弱いセルが全体を決める
セル1枚の電圧は約0.7Vしかなく、何かを動かすにはとても足りません。そこでセルを鎖の輪のように直列につなぎ、電圧を足し合わせます。このパネルでは54段が次々につながっていて、何もつながないときは38.1V、いちばん効率よく働くときは31.5Vになります。どの段にも同じ電流が流れ、試験用の光のもとでフル出力なら約13.3Aです。電子そのものは、毎秒1ミリほどか、それ以下の速さでゆっくり漂うだけです。速く伝わるのは、エネルギーのほうです。
鎖の強さは、いちばん弱い輪で決まります。セルが1枚でも影になると、そのセルの電流が減り、ほかのセルすべての足を引っぱります。それどころか、日の当たるセルが影のセルに逆向きに電流を押し込み、その電力をその1枚の中で熱に変えてしまうこともあります。これがホットスポットです。そこでジャンクションボックスには三つのバイパスダイオードがあり、それぞれがパネルの3分の1を受け持ちます。よく晴れているときは、ダイオードは働いていません。影で受け持ちの区画の電流が落ちすぎると、そのダイオードがオンになります。電流はその区画を迂回して流れ、失う電圧は約0.4Vです。セルが1枚完全に影になっても、失う電力は約3分の1で、全部ではありません。
このパネルは、セルを半分に切ったハーフカットセルを使っています。パネルの上半分と下半分を並べて並列につなぐので、108枚のハーフセルでも直列の段は54のままです。電圧は変わらず、ハーフセル1枚に流れる電流は半分になるので、配線で熱として無駄になる電力が減ります。大きな効果が出るのは、影が下の縁全体を覆ったときです。パネルを三つに分けた区画には、それぞれ上半分の列と下半分の列があり、上の列が働き続けるので、パネルは約半分の電力を保ちます。同じ大きさで描いた昔の60セルのパネルでは、ほとんど何も残りません。三つの区画がどれも影の中まで伸びているからです。
グラフは、パネルの電流を電圧に対して描いたものです。何もつないでいないときは、電圧が最も高く、電流は流れません。二本の線をじかにつなぐと、電流が最も大きくなり、電圧はゼロになります。電力は電流と電圧のかけ算で、曲線が曲がるところで最大になります。これが最大電力点です。影があると、曲線に段や余分な山ができます。実際のパネルでは配線はセルの裏を通りますが、ここではセルの列ごとに表側の色つきの線で描いています。影は斜めに入ってくるので、まず角が一つ暗くなります。レイアウトを選んで影を這い上がらせ、区画が一つずつ働かなくなるようすを見てみましょう。
06
屋根からコンセントまで
パネルがつくるのは直流（DC）で、一方向にしか流れません。家で使うのは交流（AC）で、毎秒何回も向きを変えます。壁に付いた箱、インバーターが、直流を交流に変えます。日本ではパワーコンディショナとも呼ばれます。インバーターは電力をつくることも、ためることもしません。入ってきた電力の約96%を送り出し、残りをわずかな熱として失います。琥珀色の点は、エネルギーの行き先を示しています。パネルからインバーターまでは直流、そこから電力量計を通って家の中へは交流です。
インバーターは、パネルがいちばんよい状態で働くようにもします。最大電力点は一日じゅう動きます。電圧はセルの温度によって、電流は光の強さによって変わるからです。そこでインバーターは手探りでその点を探します。これが最大電力点追従と呼ばれるしくみです。電圧を少しずらしては、電力を確かめます。電力が増えたら、同じ向きにもう少しずらします。減ったら、向きを戻します。霧の中で山を登る人のように、いつも頂上の近くにとどまるのです。
熱はパネルの敵です。セルの温度が25°Cより1°C上がるごとに、このパネルは出力の0.29%を失います。この数字を温度係数といいます。ひと世代前のPERCパネルでは0.35%です。晴れた日には、セルは約45〜65°Cになります。晴れた春の正午に420Wではなく約380Wになるのは、おもにこのためです。夏の暑い屋根では、損失はさらに大きくなります。だから、寒くて晴れた日のほうが、暑い日よりよく発電します。パネルは熱ではなく光で動くのです。モデルの気温は、穏やかな春の一日に合わせてあります。
晴れた春の一日分のエネルギーで、冷蔵庫を約2日動かせます。ノートパソコンなら約50回充電できます。この緯度なら、パネル1枚で年間約600〜700kWhを発電します。パネルの出力1キロワットあたりの年間発電量は、ロンドンやベルリンで約1000kWh、フェニックスでは約1800kWhです。保証では、30年後にも出力の87.4%が残ると約束されています。パネルは、つくるのに使ったエネルギーを1年ほどで取り戻します。寿命全体で見ると、CO₂の排出は発電1kWhあたり約40gです。2025年、太陽光は世界の電力の約8.7%をまかないました。温度をドラッグするか、一日の変化に任せてみましょう。