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大変お手数で申し訳ありません。

メーラなどに直接打ち込みをしていただければと思います。

最後に、世界的なエネルギー需要の中で、太陽電池というものがとのような定量的な意味を持つのか、検証しておきましょう。

定量的とはいっても、それほど厳密なものではありません。

２割程度の誤差は含むざっくりとした計算で、桁としては合っている、くらいの目安です。

スタートは複数の書物で確認した、以下の概算数字となります（p**qはpのq乗を表わす）。

＜数値１＞世界の年間エネルギー需要：５×10**20ジュール。

ジュールというのは力学的エネルギーの基本単位ですが、少し扱いにくいので、換算した値も書いておきます。

単純な単位変換です。

＜数値２＞世界の年間エネルギー需要：1.2×10**20cal。

＜数値３＞世界の年間エネルギー需要：1.4×10**14kWh。

＜数値４＞世界の時間エネルギー需要：1.6×10**10kWh。

数値４から、世界人口を60億とすると、世界の人間１人平均、2.6kWの電力を使っていることがわかります。

その個人が直接使う電力でなく、その人が消費する商品やサービスなどに使われている電力を含みます。

石油資源や二酸化炭素排出も問題になっているので、計算しておきましょう。

こちらは明確な換算式があるわけではありませんが、原油１リットルは9250kcalのエネルギーに相当し、また1kWの電力量を生み出すために360ｇの二酸化炭素が排出される（炭素換算ではその12/44倍）とします。

＜数値５＞世界の年間エネルギー需要に必要な原油：1.3×10**10Kl。

＜数値６＞世界の年間エネルギーが生み出すCO2：5.0×10**16ｇ。

ただし数値６では、すべてのエネルギーを電力というやや非効率なものに換算しており、実際にはこの半分以下の2.3×10**16ｇといわれています。

さていよいよ太陽電池の出番です。

以下は文献値です。

＜数値７＞太陽から地表に届くエネルギー１時間概算値：10**14kWh。

これからわかることは、太陽から地表に１時間の間に届くエネルギーは、世界の年間エネルギー需要にほぼ近いということです。

また、地球の半径は6400kmですから、地球を赤道面で二分した時の切り口の面積は、半径の二乗×円周率で1.286×10**14平方メートルです。

したがって以下の値を得ます。

＜数値８＞太陽に垂直な１平方メートルのパネルが太陽から晴天時に得る１時間あたりエネルギー：0.78kWh。

実際には数値７や数値８はもう少し大き目のようですが、ここではこれで続けます。

以下、変換効率0.15の太陽電池を考えます。

＜数値９＞太陽に垂直な１平方メートルの太陽電池の電力：1.17kW。

実際には夜間は出力が得られず、朝夕も太陽高度が下がるので出力は低下します。

さらに曇りの日もあるので、実質平均電力はその１／６程度です。

＜数値10＞世界の全エネルギー需要を満たすため赤道直下に水平に置く太陽電池の受光パネル面積：82万平方キロメートル。

これは日本の面積の２倍強にあたります。

そう考えると気が遠くなる数値ですが、赤道に比較的近いサハラ砂漠全体の１割程度です。

もちろん実際にサハラ砂漠だけを使うという意味ではありません。

むしろロスの少ない電力ネットワークを用意したうえで、ユーラシア大陸南部や南米大陸北部、さらには太平洋や大西洋の海上なども含めてさまざまな場所に配置した方が、時間的な変動要因を考えると、得策でしょう。

実際、低コストで高性能な太陽電池や、高温超伝導を使った低ロス送電で世界の電力をまかなおうという「ジェネシス計画」があります。

いよいよ実用化が始まった燃料電池自動車。

水素と酸素の反応がそのまま動力になるのですから、水しか排出しない確かにクリーンな自動車です。

ただしその水素という燃料が、やはりある程度のエネルギーを使わないと得られないものなのです。

それを風力発電や太陽電池などクリーンな形で得たとしても、今度はその供給や車内貯蔵が難しいという弱点があります。

燃料電池自動車より実用化の進んだものとして、電気自動車というものもあります。

ハイブリッド車も含めると、すでに膨大な数が走っています。

これも一見クリーンです。

しかしこの電気というものは、環境への負荷なしで得られたものではありません。

つまりエネルギー全体で考えると、クリーンともいえないものなのです。

その点、ソーラーカーはすばらしいコンセプトといえます。

何しろ自動車そのものが太陽電池機能を持っており、その発電機能はこれまで述べてきたように、非常にクリーンです。

そしてその場で発電しながら走るのですから、供給や貯蔵の問題もないわけです。

ただし大きな弱点もあります。

それは夜や悪天候時に走れないというのでは困るということ。

したがって現実的には、ハイブリッド走行系のバッテリの補助としたり燃料電池と併用したりすることになると考えられます。

太陽電池の個々のセルの出力電圧は低いので、それを直列につなぐことになりますが、その場合、電流をそろえなければなりません。

13章でみたように短絡電流値は照度に比例するので、すべてのセルを同じ面に向けなければなりません。

自動車は動きますから、受光部を常に太陽の方向に向かうように動かせれば理想的です。

また個人が手軽に持ち運べる140ｇ程度の太陽電池を搭載した「ジュース・バッグ」というバッグが米国で開発され、日本でも売られているそうです。

屋外でも太陽が出ていれば無料でモバイル機器への充電が可能というわけです。

これはもちろんソーラーカーというわけではありませんが、適当な章がないので、動き回る太陽電池ということでこの章で紹介しました。

太陽電池とは、光を吸収してそのエネルギーを電気に変えるのですから、通常は透明にはできません。

しかし産業技術総合研究所エレクトロニクス研究部門で試作された太陽電池は、きわめて高い透明度を持っています。

その秘密は、可視光ではなく紫外光を吸収して電気エネルギーに変えるところにあります。

紫外光は太陽光の中では３～６パーセントとさほど強くないので、発電効率が良いとはいえないのですが、透明にすることで例えば窓ガラス自体に発電機能を持たせられるのは大きな魅力です。

さらに、赤外光については反射させることも透過させることもできるので、例えば夏は反射し、冬は透過させるといった、温度調整機能を持たせることも可能です。

この透明太陽電池の作り方ですが、基板はガラスで、そこに酸化亜鉛半導体（n型）と銅アルミ酸化物半導体（p型）とを成膜させます。

その方法は、材料の特徴に影響を与えにくいレーザー照射による蒸着であり、500℃以下の温度で実現しました。

セル面積はとりあえず0.1平方センチメートル程度ですが、大面積化に対応できる溶液法（目的物質の元素を含む原料溶液から分解や重合などによって微粒子やセラミックスを生成）も検討しています。

素材としては従来からポピュラーなシリコンですが、最近になって面白い試みが登場しました。

シリコンを直径１ミリメートル程度の球状にし、その表面近くにｎ型半導体、内部にｐ型半導体としての性質を持たせるのです。

これを直径２～３ミリメートル程度の凹面鏡の上に置き、この凹面鏡が電極を兼ねることで、太陽電池として機能させるというものです。

シリコンの量が節約できるのが最大のメリットで、１ワットの出力あたり２グラムで済みます。

シリコン結晶だと10～17グラム必要です。

また材料の作り方も比較的簡単です。

高温で液体状態になったシリコンを１～２秒程度自由落下させるだけです。

落下中に表面張力で球状になるとともに、自然に冷却されて固まるのです。

あるいは落下中にレーザーを照射し、単結晶状態にすることも可能です。

球状の周囲全体がｎ型半導体であり、それが凹面鏡の上に乗っているので、太陽光のムダが少なくなります。

また凹面鏡にはアルミホイルなど柔らかい物質が使え、電池全体を湾曲させることも可能です。

ＮＴＴドコモは、この技術を利用した携帯電話充電器を開発しています。

28章でナノテクノロジーで注目されている素材であるフラーレンを用いた太陽電池を紹介しました。

ある意味でナノテクノロジーは太陽電池の全般で必要とされる技術ではあるのですが、ここではもう１つ、ナノ構造そのものがモノをいう方式を紹介しましょう。

ここでの主役は量子ドットです。

量子ドットとは一辺が10nm程度以下で、量子効果で電子が事実上一個しか入らないような入れもののことです。

なぜ量子ドットが太陽電池に役立つのでしょう。

４章で電子のエネルギー準位について説明しました。

すなわち準位の低い価電子帯と準位の高い伝道帯の間に禁制帯があり、そのバンドギャップを飛び越えて初めて自由電子になれるということです。

そしてそのバンドギャップに相当するエネルギーを持つ光子は限られています。

それが変換効率の限界に結びつきます。

しかし量子ドットは、サイズを調整することでさまざまな準位を作り出すことができます。

そういった複数種類の量子ドットを用意することで、あたかも禁制帯の中に浮島を作ったかのような「ミニバンド」が形成され、励起に寄与する光子が圧倒的に増えるのです。

変換効率は理論的には60パーセント以上になりうるということです。

具体的な構造としては、シリコンやガリウム砒素などを使い、ｐ型領域とｎ型領域の間に広いｉ型領域を設け、そこにさまざまな量子ドットを規則的に配置します。

もう１つ、産業技術総合研究所の話題です。

「新しい高効率色素増感太陽電池の開発」。

これは２種類の色素増感太陽電池セルを光の通路からみると直列に並べ、その２つを電気的には並列に並べることで、両者の和にほぼ相当する電流を得て、全体として変換効率を高めるというものです。

この構造をタンデム型と呼び、色素増感としてはかなり高い11パーセントという変換効率を実現しています。

２種類のうち入り口に近いほうは、可視光を光電変換する部分です。

そのためにレッドダイという、ピーク吸収波長が540nmの色素を用いています。

さらに２つの電極を透明にし、また光閉じこめ構造なども用いていないので、光電変換に使われなかった、より長波長の光子は、そこを通り抜けることになります。

その先は近赤外光を光電変換する部分です。

そのためにブラックダイという、ピーク吸収波長が600nmでさらに800nm付近まで高い吸収効率を持つ色素を用いています。

ここでは陰極電極のみを透明にし、また光閉じこめ構造を用いて近赤外光の吸収効率を上げています。

新たに開発した漏れ電流抑制手法も使われているということです。

色素増感型太陽電池のために使われる効率の高い色素としては、従来ルテニウム錯体が本命と考えられていました。

ルテニウム（Ｒｕ）は、周期律表で鉄（Ｆｅ）のすぐ下に来る遷移金属元素で、ガス・トゥ・リキッドの触媒にしたり、白金と組み合わせて燃料電池の触媒にしたりと、活躍の幅が広い物質です。

ただし一種の貴金属であり、価格が高いし不安定なことが太陽電池に使うための制約になっていました。

錯体とは、金属イオンを中心に、さまざまな陰イオンが結合した物質です。

これに対して、クマリン系など有機色素を用いる動きが出ています。

クマリンというのは図のような構造を骨格とする分子で、光で開閉する微小構造や、色素レーザー材料などに用いられています。

ただしクマリン色素の場合、励起された電子がＩ3負イオンと再結合しやすいので、その分得られる電流が少なくなるという問題もあります。

産業技術総合研究所は2002年９月、従来型のクマリン色素にシアノ基やカルボキシル基をつなげることで、7.45％というルテニウム錯体なみの高い変換効率を実現しました。

これは安価でデザイン性に富んだ太陽電池材料になるかもしれません。

色素増感型の太陽電池も、ローコストなので非常に注目を集めています。

これは光合成の原理を応用した感じです。

図のように、導電ガラスの近くに色素を塗りつけた酸化チタンや酸化亜鉛などを置き、そこからヨウ素（Ｉ）電解液を介して白金など電極を配置するものです。

色素は太陽光を吸収して励起電子を発生させます。

この励起電子が酸化チタンなどに渡され、負電極から導電ガラスを通じて、外部回路へと流れていきます。

一方の白金電極は正電極となります。

外部回路からここに流れてきた電子は、ヨウ素原子を陰イオン化させて電解質を通過し、最終的に酸化チタンなどに還流します。

一方酸化チタンなどに電子を返したヨウ素原子のイオンは、今度はＩ3というヨウ素分子の一価負イオンとなって正電極へと向かいます。

酸化チタンは光触媒効果をもたらす代表的な物質ですが、励起させるには紫外線が最適で、それ単体では太陽電池には向きません。

それゆえ可視光で励起させるために色素を使うわけであり、これは光合成と同じです。

真空や高温が不要なので、シリコン型に比べて製造コストが格段に低く、またガラス電極をフィルム電極に置きかえることで、折り曲げ形状も可能になります。

電解質水溶液をイオン性液体に置きかえることで、一層の製造コスト削減や信頼性向上も期待されます。

化合物をいろいろ工夫できるという意味で、やはり有機系化合物の多様性は非常に魅力的です。

また材質としてのさまざまな特徴や手軽さという意味で、プラスチック（高分子化合物／ポリマー）は魅力的です。

有機系化合物にしても高分子化合物にしても、このように一般的な意味で素材としての魅力は高いのですが、太陽電池への応用が有望視されてきたのはごく最近のことです。

その理由は簡単で、太陽電池に欠かせない導電性が高分子化合物では実現しにくいことにありました。

その壁を打ち破ったのは、２０００年にノーベル化学賞を受賞した白川英樹氏です。

原子間の二重結合に現れるπ結合電子対が大きな役割を果たしました。

こうして開発された導電性プラスチックは、実はｐ型半導体としての性質を持っています。

一方、ナノテクノロジーがブームとなるきっかけといってもいい物質に、炭素原子がサッカーボールのように集まったフラーレンがあります。

こちらは逆にｎ型半導体としての性質を持っています。

そして何と、この導電性プラスチックとフラーレンとを溶かした溶液を、透明な電極つき基板に薄く塗って乾かし、その上に別の電極を載せるだけで太陽電池ができてしまうのです。

非常に簡便な太陽電池といえます。

簡便なだけあって、変換効率はあまり高くないのですが、それでも単接合で0.04～0.05程度が実現しています。

バンドギャップの違うものを組み合わせて多接合にすればもっと向上します。

フラーレンは、次章で述べる色素増感型太陽電池の電子受け取り物質として利用する試みもあります。

産業技術総合研究所とトッキと三菱商事は2008年５月、このフラーレンと染料に使うフタロシアニンとを組み合わせ、緑色で非常に薄くて折り曲げも可能な太陽電池を開発しました。

ほかの有機薄膜型太陽電池の話題として、東大先端科学技術研究センターと新日本石油による次世代型有機薄膜太陽電池の共同開発が、2008年４月に発表されました。

目標は発電効率40パーセントということです。

VI族というのはこの場合、元素の周期律表の中で右から２列目（VIb族）を指します。

代表的なものとしては、Ｓ（硫黄）、Ｓe（セレン）、Ｔe（テルル）などです。

一方II族というのは、その４つ左にあるIIb族、すなわちＺn（亜鉛）、Ｃd（カドミウム）、Ｈg（水銀）などを指します。

中でもポピュラーなのが、Ｃd-Ｔeという組み合わせです。

これもIII-V族系と同じく、約1.5電子ボルトという理想に近いバンドギャップを持ちます。

ただし変換効率はIII-V族系より少し落ちます。

実際にはＣd-Ｔeという組み合わせだけでなく、たとえばＣd-Ｓという組み合せのものと接合させて使います。

この場合、Ｃd-Ｔeがｐ型、Ｃd-Ｓがｎ型として機能します。

やはり光の吸収率の高さゆえに薄膜化が可能です。

II-VI族系は薄膜の製造技術もなかなかユニークです。

真空を利用した比較的一般的な手法のほか、電解析出法、近接昇華法、スクリーン印刷法などがあり、比較的低コストで製造できるメリットがあります。

ここでいうIII族というのは、元素の周期律表の中で、右から６列目にくるIIIb族を指すのが普通です。

代表的なものとしては、Ａl（アルミニウム）、Ｇa（ガリウム）、Ｉn（インジウム）、Ｔl（タリウム）などです。

一方V族というのは右から４列目にくるVb族で、代表的なものとしては、Ａs（砒素）、Ｓb（アンチモン）などがあります。

特にポピュラーなのが、Ｇa-Ａsという組み合わせおよびＩn-Ｐという組み合わせです。

バンドギャップは前者が約1.42電子ボルト、後者が約1.35電子ボルトと、かなり理想（約1.4電子ボルト）に近く、実際にＧa-Ａsは単結晶シリコンに並ぶ高い変換効率を実現しています。

また放射線耐性も、Ｉn-ＰはＣＩＧＳ系に次ぐ高さを誇り、Ｇa-Ａsもその次くらいに位置します。

ほかにも光の吸収率の高さ（ゆえに薄膜化が可能）、吸収波長範囲の広さ、そして高温における効率低下の少なさなど、ＣＩＧＳ系とＨＩＴとの良いとこどりをしたような太陽電池です。

III-V族系はまた、複数種類のｐｎ結合を組み合わせて変換効率を高める、多接合という構造にも適しています。

さまざまなバンドギャップにより、幅広い波長の光子を拾い出して有効利用するものです。

たとえばＩn-Ｇa-Ｐ、Ｇa-Ａs、Ｉn-Ｇa-Ａsを組み合わせることで0.33という実績をあげています。

ＣはＣuすなわち銅、ＩはＩnすなわちインジウム、ＳはＳeすなわちセレンであり、ＣuＩnＳe2に代表されるさまざまな化合物を用いた太陽電池です。

もっとも最近ではＧ（Ｇaすなわちガリウム）もこの仲間に入れられることが多く、ＣＩＧＳ系とも呼ばれます。

ほかにイオウ、スズ、亜鉛などの元素と組み合わせることもあります。

銅とインジウムの比率などに応じて、ｎ型もｐ型も作ることができます。

目的に応じてさまざまな原子を用いたさまざまな化合物を利用できるので、基板材質は金属、ガラス、樹脂などいろいろと工夫できます。

基板上の膜生成も、蒸着など比較的簡単に行えます。

また全体に光の吸収率が高いので、その分薄膜化も可能です。

化合物によっては吸収する波長の範囲も広く、朝や夕方、悪天候時でもそれなりの出力が得られます。

放射線に強いのも大きな特徴です。

すでに陽子や電子の照射に対する耐性が非常に高いことが確認されています。

太陽電池のきわめて有望な応用分野の１つは、太陽がさえぎられることのない宇宙ですが、放射線に強いという特徴は、それに非常に向いています。

ＣＩＧＳ系太陽電池に力を入れている会社の１つが本田技研工業です。

図のような構造において、光吸収層で分かれた自由電子がバッファ層に引っ張られ、一方正孔は光吸収層を下側に進みます。

これにより表面電極が負極、裏面が正極になるには、シリコン結晶の場合と同じです。

自動車メーカーにふさわしく、燃料電池用の水素をＣＩＧＳ系太陽電池から得る実験も進めているということです。

2008年には産業技術総合研究所が、ＣＩＧＳ系で17.7％という高い変換効率を実現しました。

ＨＩＴとはHeterojunction with Intrinsic Thin-layerの頭文字を取ったものです。

Intrinsicすなわちｉ型層に関しては、22章で説明しました。

その薄い層とそれ以外の層（Heteroは相異なるもの）とが接合している、くらいの意味です。

単結晶シリコンとアモルファスシリコンとをつなげた太陽電池といえます。

三洋電機が主に住宅向けに推進しています。

具体的な構造を図で示します。

このように真ん中にｎ型単結晶シリコンを置き、その両側からアモルファスシリコン、さらには電極がはさんだような形になっています。

そして両側から光が当たっていますが、このように両面の太陽光エネルギーを使えるのが特徴の１つとなっています。

製法は、ｎ型シリコン層にプラズマＣＶＤでｉ型そしてｐ型のアモルファスシリコン層を形成させるというものです。

ｉ層の働きで、正孔と電子の再結合が抑えられるのです。

以上の記述と一部重複しますが、ＨＩＴ太陽電池のメリットをまとめまると以下のようになります。

・変換効率が高い（2008年には10cm角で22.3％を実現）
・環境がやや高温（７０℃程度）になっても効率があまり落ちない
・２００℃程度でプロセス形成可能
・両面の太陽光エネルギーを使える