第 1章 太陽電池パネルを 1 枚 買ってみたけれど…… 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ 1-1 もう、こんなに身近で活躍している 太陽電池 許可申請 これらすべてで太陽電池が利用されている 太陽電池といえば、高級住宅の屋根の上に敷き詰められたものと思 いがちかもしれませんが、実は現在、太陽電池は身近なところでフル 工事現場用の LED チューブ 道路鋲 活躍をしています。もうかなり以前からでも、電卓や腕時計など微小 私たちの身の回りにはすでにたくさんの太陽電池が活躍しています。 な電力でも動かせるもので使われていました。 下記に使用する電力の大きさの順にならべて分類してみましょう。 ①一般のソーラーパネルでの太陽光発電 許可申請 （家の屋根などに取り付ける） ②道路工事表示や太陽電池での信号機 ③ガーデンライトやカー用品 ④電卓や時計 ⑤おもちゃ 工事現場のコーン （トップ） たとえば、工事現場のコーンの上で、夜になると点滅するソーラー 式ＬＥＤ保安灯（上写真）は、日中に太陽電池でニッカド電池などに 充電しておき、夜に LED を点滅させています。 さてそれでは、①～⑤のそれぞれについて、説明してみましょう。 ①一般のソーラーパネルでの太陽光発電 これは、いまや 1 枚でも 200W 程度の発電ができるようになったソー ラーパネルを複数枚を組み合わせて、家庭の使用電力を賄おうとか、あ また、工事現場用の LED チューブ（右写真左）や道路のセンターラ るいはもっと大規模に太陽光での発電所を作ろうというものです。メ インを夜になると点滅して知らせてくれる道路鋲（右写真右）もあり ガソーラーなどといわれているのはまさに、そのような大規模発電所 ます。 です。 これらのものを、少し詳しく説明してみましょう。 まさに喫緊の分野であり、本書においても少しでも実用化に向けて ご紹介したい分野です。 ▶▶▶ 008 ▶▶▶ ▶▶▶ 009 ▶▶▶ 発電能力としてはどの程度 のものなの？ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ ②道路工事表示や太陽電池での信号機 ④電卓や時計 2011 年 3 月 11 日の東日本大震災後に、大規模停電にみまわれ、ま 電卓や時計についている太陽電池は、いったいどこについているの？ た引き続いての計画停電の際に、夜間工事がストップし、交差点の信 というぐらいに小さくてわかりにくいですね。でも、そんなレベルの 号が使えませんでした。道路工事表示のための太陽光発電は、その以 太陽電池で、十分に役立っているわけです。いまや、携帯電話の充電 前からも徐々に浸透してきていましたが、太陽光を用いた交通信号は、 器にもソーラーチャージャーのもあります。 この教訓を受けて試みが広がり始めています。 ⑤おもちゃ このような使用のための太陽光発電システムも、いまや高性能となっ たソーラーパネルと蓄電システムの併用で十分に活用できる規模と ひと昔前、ソーラーパネルといえば高額でした。高級品だったので なっています。 すね。ですから、おもちゃに使うなどということは考えられなかった 時代もあったわけです。しかし、最近は、知育用のおもちゃとして、 ③ガーデンライトやカー用品 組み立てブロックの付録などにもソーラーパネルがついています。ソー 基本的には②のシステムの個人利用です。このレベルであれば、個 ラーパネルを搭載した模型自動車も市販されています。 人の趣味の延長で、手作り感たっぷりの実践が可能です。 許可申請 ソーラー式 LED 外灯は、完全独立型のシステムで、取り付けられた 太陽電池で日中に充電を行えば、最大で 15 時間程度は点灯できます。 同じように工事用の LED の安全灯や道路のセンターラインを夜に点 滅で知らせている道路鋲も日中に太陽電池で電気二重層コンデンサー や充電式電池に充電すれば、光センサーが内臓されているため、夜間 昼間を判断し自動点灯消灯をします。この場合、満充電で無日照連続 約 120 時間点滅のものなど市販されています。 太陽電池とは直接 関係なかったので 書き換えました。 「タミヤソーラーカー」 「レゴ エネルギーセット」 カー用品では、たとえば駐車中に社内が高温にならないようにする ソーラーファンは太陽電池とファンとの単純な組み合わせで機能する 以上のように、私たちの身の回りには、すでにいろいろな太陽電池 とそれを利用した電気製品があふれているのです。 完全独立型のシステムです。 またカー用品で注目したいのは、多くの機器が自動車の 12V バッテ これらのシステムを参考にして、またこれらに使われている装置を リーを前提に作られていることです。照明から携帯電話の充電器、家 利用して、私たちの生活において実用的な環境を手作りできないか、楽 電を使用するための補助機器など、ちょっとした太陽電池の活用の場 しむことはできないか、というのが本書の目的です。 を広げてくれる機器がふんだんに用意されていることです。 それでは、本命の太陽光パネルを使っての発電からアプローチして みましょう。 ▶▶▶ 010 ▶▶▶ ▶▶▶ 011 ▶▶▶ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ イラスト 1-2 本命の太陽光パネルを使って 太陽光発電の最低限のシステムには さて地球のために、ひと肌脱ごうと決めているあなた。 ストップ・ザ・温暖化を合言葉に、火力発電所からの電力を少しで も使わずに自家発電をしてみたい方。 2012 年の 3.11 東日本大震災での福島第 1 原子力発電所の事故で自然 エネルギーが大切だ！と思っているあなた。 地球のために、子どもたちのために頑張るぞと思っているおられる みなさん。 よく考えたら、100 円ショップの電卓にも太陽電池が入っているけれ ど、これでテレビがつくわけでもないし……。 太陽電池パネルを、家の屋根などに取り付けている施工業者に頼む のがいいのでしょうか？ 確か 30 年もすれば元がとれるって言ってい るし…。とは言っても相当の先行投資をしないといけないし…。そも ぜひ、太陽光発電にチャレンジしてみましょう！！ そも、30 年で元がとれるって話も、本当かどうか不安だし…。 あの会社の太陽電池だったら大丈夫だけど、この会社の製品は本当 とはいっても、いったい何からはじめればいいの？と思われかもし れませんので、まずは太陽光発電に、必要なものをあげてみました。 に大丈夫かな？と疑いを持ち始めれば、いったいどうすればいいの？ となってしまいますね。 というわけで、まずは、インターネットで、有名な会社の太陽電池 パネルを検索してみて価格などを調べてみましょう。 ①太陽電池パネル ②太陽が照っていないときにでも電化製品が使えるようにするため 国内にも太陽電池パネルで世界的にも有名な企業はたくさんありま のバッテリー ②太陽電池パネルとバッテリーのシステムを管理するコントロー す。CM で吉永小百合さん宣伝しているのがシャープ。その他にも、パ ナソニックさん、京セラ、カネカ、三菱、東芝などのサイトを見てみ ラー ③家電製品を使えるようにするためのインバーター ることにしましょう。 グーグルやヤフーなどの検索サイトで、「太陽電池」と入れてクリッ 以上のものが揃えれば、これで、ばっちり！です。 クすると、いろいろな企業のサイトから、それぞれの企業の太陽電池 パネルの性能や価格がわかります。ぜひ、最新の情報は、インターネッ さてそれでは、太陽電池、どんなものを買えばいいの？ ▶▶▶ 012 ▶▶▶ トで確認してください。 ▶▶▶ 013 ▶▶▶ 第 1 章 太陽電池パネルを 1 枚買ってみたけれど ････ 1-3 図 1、図 2 に示した太陽電池パネルの詳しい性能を、表 1 にまとめま 太陽光パネルの種類と能力を 調べよう！ した。 表 1 単結晶太陽電池と多結晶太陽電池の比較（シャープ製） セル種類 単結晶 形 名 多結晶 ND-170AA NQ-190AA どんな太陽光パネルがあるのか サイトにはいろいろありますが、たとえば、シャープとパナソニッ クの製品を見てみることにしましょう。 公称最大出力 Pmax 190W 170W 公称最大出力動作電圧 21.91V 21.36V 8.68A 7.96A 公称開放電圧 Voc 27.16V 26.02V 公称短絡電流 Isc 9.30A 8.60A 1165 × 990 × 1165 × 990 × 46mm Vpm 公称最大出力動作電流 まず、シャープの高効率単結晶型のものを見てみましょう。図 1 は、 Ipm 単結晶 NQ-190AA で希望小売価格 106,890 円（税抜価格 101,800 円）と いうものです。これで、モジュール変換効率が 16.5％で、公称最大出力 Pmax 190W というものです。これは、黒い太陽電池といわれるもので 外形寸法（幅×奥行×高 す。 （2012 年 2 月現在） さ） それに対して、いままでよく見られた青い太陽電池（図 2）は、多結 質量 晶モジュールのスタンダードタイプとして、多結晶 ND-170AA で希望 46mm 14.5kg 14.5kg さてそれでは、上述の用語についてみてみましょう。 小売価格 79,380 円（税抜価格 75,600 円）というものです。モジュール 変換効率 14.7％で、公称最大出力 Pmax 170W というものです。 写真不要か 太陽光パネルのスペックの読み方 変換効率（１） 単結晶と多結晶の違いについては第 2 章に譲るとして、まず太陽電 池の性能で最も気になるのが、変換効率だと思います。変換効率とは、 簡単に表現すると、 図 1 NQ-190AA ▶▶▶ 014 ▶▶▶ 図 2 ND-170AA ▶▶▶ 015 ▶▶▶ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ つまり、太陽からもらった光のエネルギーのうちの何％を、実際に そこで、AM 分光 電気エネルギーとして有効に使えたかを示す指標なのです。この％が 分布という大気通過 低いと、性能が悪いとなってしまいます。十数％あれば十分です。 量を決めます。大気 ところで、太陽電池を評価する場合に、世界共通の基準が決められて 圏の外ではゼロです います。「基準状態」といい、STC と略されます。STC は、Standard か ら AM0 と 書 き ま Test Condition のことです。STC では、次の 3 つの条件が重要になり す。もし図のように、 ます。 地球に対して、光が 真上からまっすぐ 90 ① AM1.5（Air Mass：エアマス） °の 入 射 角 で 入 射 し ②光の強さが 1kW/㎡ た 場 合 は AM1 と 書 ③セルの温度が 25℃ きます。 日本では AM1.5 を STC として使っていますが、この 1.5 という数値は、 ① AM（エアマス）とは 大気の厚みを 1 とした場合にくらべて 1.5 倍長い距離を光が走るという 研究室で太陽電池の変換効率を測定するマシンをソーラーシミュ ことを意味します。もし、地面との角度が 30°になるように太陽光線が レータといいます。 入ってきた場合、頂角が 30°の直角三角形は 1：2： 3 なので、AM2 となります。AM1.5 の場合、この角度は 41.8°です。 ソーラーシミュレータは、AM1.5 の太陽スペクトルを再現していま す。具体的には、キセノンランプとハロゲンランプを組み合わせて実 現しています。なお測定時には、太陽電池ホルダーでは 25℃の一定の 温度になるように調整します。 図版はすべて 作り替えます AM1.5 とは、次のように考えてください。 太陽光線は、目で見えるいわゆる光の可視光線（波長 0.4 μ m ～ 0.7 μ m）が約 47％をしめています。そして、赤外線のうち波長 0.7 μ m ～ 100 μ m のものが約 46％です。そして残りの紫外線（0.01 μ m ～ 0.4 μ m）は約 7％です。これで、ほぼ 100％になります。なので、太陽光 の大部分は、可視光線と赤外線、紫外線であると考えてください。 太陽からの光は、地球の大気と出会い、大気圏に入ると、大気中の ところで、太陽電池にもっとも多く使われているのは「結晶シリコン」 オゾンや水蒸気などにより、光の一部は吸収され弱まってしまいます。 のタイプです。この太陽電池では、0.4 μ m ～ 1.2 μ m までの幅広い波 まさに、曇りの日はそうですね。 長の光を吸収します。地表に達する太陽からのエネルギーをまんべん ▶▶▶ 016 ▶▶▶ ▶▶▶ 017 ▶▶▶ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ なく発電に利用できます。また、そのピークは 1.0 μｍです。 一方、アモルファスシリコンタイプ（非結晶のタイプ）は、0.8 μ m 以下の波長の光を有効に吸収できるので、結晶型と非結晶型のシリコ つないだ回路を作り、それに電流計と電圧計をつなぎ、スライド抵抗 の抵抗の値を徐々に変えて電流の値と電圧の値を測定します。それを グラフにすると、次図のようになります。 ン太陽電池を組み合わせたハイブリッド型の太陽電池は、とても有効 であることがわかります。 また、蛍光灯の光は約 0.75 μ m 以下なので、結晶シリコンは十分に 対応できないが、アモルファスシリコンでは、ピークが蛍光灯の波長 域をカバーするので、室内ではその能力を発揮することができます。 ②光の強度 次に光の強度、つまり放射強度についてです。STC の②についての 話です。1㎡当たりに到達した太陽光エネルギーの強さを表し、単位は （W/㎡）を用います。 太陽放射は、大気圏外ではおおよそ 1400W/㎡あります。しかし、 開放電圧・短絡電流 大気を通過して地表に到達すると、1000W/㎡程度になります。この 太陽電池に何もつながないで、太陽電池の両端に発生する電圧を測 1000W/㎡という値を、放射照度の基準状態としています。1kW/㎡と 定します。スライド抵抗の抵抗を 0 としたと考えてください。このと も書きます。 きの電圧を「開放電圧：Voc」といいます。また、太陽電池の両端をショー トさせた状態で、ショートした電流を測定します。このときの電流を「短 ③モジュール温度 絡電流：Isc」といいます。測定したデータのことを、動作点といい P 最後に③のモジュール温度についてです。 で表します。 太陽電池モジュールは温度が上昇すると発電電圧が下がります。逆 に、冷えると発電電圧が上がります。なので、太陽電池では、一定の 温度として 25℃を基準状態としています。 公称最大出力動作電圧・公称最大出力動作電流 また、表 1 では、 「公称最大出力動作電圧」、 「公称最大出力動作電流」、 「公称開放電圧」、「公称最大出力」というのがでてきました。これを順 に説明しましょう。 変換効率（２） まず「公称最大出力動作電圧」は、最大のエネルギーを出力するとき 再度変換効率の式を読み解くためにもう少し説明を続けたいと思い ときの太陽電池出力電圧のことです。続いて「公称最大出力動作電流」 は、最大のエネルギーを出力するときときの太陽電池出力電流のこと ます。 太陽電池の変換効率を求めるためには、太陽電池にスライド抵抗を ▶▶▶ 018 ▶▶▶ いいます。 ▶▶▶ 019 ▶▶▶ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ 公称開放電圧・公称最大出力 「公称開放電圧」は、太陽電池に負荷を何も接続しないときの太陽電 池が出力する最大出力電圧です。 実は、この開放電圧には十分な注意が必要です。充電用のバッテリー が満充電付近になると太陽電池の負荷が軽くなり、無負荷の状態に近 づきます。そのため、瞬間的ですが機器に公称開放電圧に近い高い電 圧が加わることがあります。そのため負荷が破損する場合もありえま す。ですので、負荷を選定する場合、この電圧に耐え得る機器を選定 することが重要です。 表 2．単結晶系ハイブリッドと多結晶太陽電池の比較（パナソニック製） 最後に、「公称最大出力」です。これは、まさに太陽電池が発生する 最大のエネルギーのことを意味します。 太陽電池の最大出力点は、Iop × Vop の面積（上図のグレー部分） となります。太陽電池の効率を上げることは、グレー部分の面積を最大 にするということです。太陽電池の出力が最高となる動作点を最適動作 点（このときの出力を最大出力：Pmax、電圧を最大動作電圧：Vpm、 電流を最大動作電流：Ipm）といいます。 セル種類 単結晶系ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ 多結晶 形 名 HIT230 シリーズ 154 シリーズ 公称最大出力 Pmax 230W 154W 外形寸法（幅×奥行 1580 × 812 × 35mm 1313 × 866 × 35mm ×高さ） このように、太陽電池パネル 1 枚で、100W 程度以上、150W 程度と いう結構な出力が得られることがわかったことでしょう。 公称最大出力を踏まえて、 どの程度のパネルを選ぶか？ それでは、パナソニックさんの太陽電池もみてみましょう。 図 3 は、単結晶系ハイブリッド型 HIT230 シリーズで希望小売価格 それでは、一般の条件下では公称最大出力の何％程度の出力が得ら れるかについて、大雑把に 166,950 円（税抜 159,000 円）というものです。これで、モジュール変 換効率が 17.9%で、公称最大出力 Pmax が 230W のものです。 また、図 4 は多結晶 154 シリーズで希望小売価格 92,400 円（税抜 88,000 円）というものです。これで、モジュール変換効率 13.5％で、公 称最大出力 Pmax が 154W のものです。 いずれにせよ、一般的に最大出力を考えれば、それだけ高額になり ます。ここは、当面どの程度の電力が必要かということと懐具合との 相談です。 ▶▶▶ 020 ▶▶▶ ▶▶▶ 021 ▶▶▶ 第１章 太陽電池パネルを１枚買ってみたけれど ････ 表 3．消費電力と必要なトランス（変圧器） 1-4 その太陽電池パネルを 何に利用するの？ 省電力を前提にした製品群を さて、それではこれらのパネルで、どの程度の家電製品が使えるの 商 品 消費 必要な 電力量 W トランス W 備考 掃除機 1300 1500 アイロン 1300 1500 ミシン 100 300 モーター使用の商品では 3 倍を目安。 ホットカーペット 800 1000 電気毛布 90 100 空気清浄器 70 100 コタツ 900 1000 ドライヤー 1200 1500 扇風機 100 300 一般電球 30 ～ 100 120 蛍光灯 30 ～ 50 100 電子レンジ 1400 1500 電磁調理器 1400 1500 コーヒーメーカー 800 1000 ています。簡単にいうと、これらを使おうと思えば、1kW 程度の発電 食器洗い機 1000 1500 では無理で、それ以上の余裕をもった発電量が必要になります。 TV32 インチワイド 250 300 TV21 インチワイド 110 150 TV ゲーム 16 20 デスクトップ PC 150~350 500 でしょうか？ 身の回りのもので、100W 程度の消費電力が必要なものには、中型の 液晶テレビなどがありますが、ノートパソコンや 100W 程度の電灯や あるいは携帯電話の充電には、十分な余裕があります。 しかし、次ページの表 3 をみてみましょう。後のこともあるので、 インバーターの目安も記載しておきますが、消費電力をみても、太陽 電池パネル 1 枚でできる仕事には、限界があることもみてとれます。 表 3 をみると、ドライヤーや電子レンジでは消費電力は 1kW を超え ということは、1 枚の太陽電池パネルがあっても、できることはあま り無いともいえます。しかし逆に、考え方次第では、上述したように、 結構あるとも言えます。そこで、どのような電気の使い方をするかを、 よく考えておく必要があります。 結論としていえるのは、熱源として利用することは、当面見送るほ うがよいでしょう。暖房などには、 他の方法を考えるほうがいいですね。 ここで、「どんな電気製品」という点で対象にしていただきたいもの は、○ページでもご紹介したカー用品や USB から電源を引っ張る製品 電圧安定化機能付きが望 ましい ノートブック PC 30 ～ 80 100 ～ 120 電圧安定化機能付きが望 レーザープリンタ 800 1000 炊 飯 器 5.5CUPS 1100 1300 300~500 1000~1500 ましい （IH） 冷蔵庫 モーター使用の商品では 3 倍を目安。 です。 それは同じ機能でも省電力での使用を前提にしたものや、12V バッ 全自動洗濯機 500 1500 テリーで直流のまま利用できる製品が多いからです。 ▶▶▶ 022 ▶▶▶ モーター使用の商品では 3 倍を目安。 ▶▶▶ 023 ▶▶▶ たとえば、カー TV では地デジチューナー内蔵の 7 インチ液晶テレ ビで消費電力 5W というものもあります。内蔵スピーカーやアンテナ もついて 13,800 円というネット価格でした。 いまや AV 機器はノートパソコン 1 台で賄え、テレビやラジオなど の放送や DVD、CD の視聴もできる時代です。カーバッテリーからノー トパソコンが使えるようにする機器も揃っています。ですが、ノート パソコンですと、それでも消費電力は大きいと思うなら、もうそれに 替わる iPad などの省電力機器が登場しています。これなら 10W 以下の 電力消費です。当然、 シガーソケットとつなぐ機器も販売されています。 照明機器については数百円レベルからバラエティ豊富に提供されて います。 変わったものでは、イルミネーションとして利用されるテープ型 LED 照明（テープライト）なども市販されていますが，1m に 60 個の LED がついています。使用電圧は 12V で使用電流は 1.2A です。したがっ て。消費電力は，12 × 1.2 ＝ 1.44W となります。寿命は３万時間もつ ということです。 このように、小さな太陽光発電システムでも活用できる製品群はど んどん増えています。一度、そんな目でカー用品店を見学するのもい いのではないでしょうか。 ちなみに、使っている電気製品の電力量を知りたい方がいると思い ますが、そんなときは「検電器」で調べてみるといいでしょう。 「ワッ トチェッカー」や「ワットモニター」などという製品名で販売されて います。 現在の電力消費量や積算電力、その料金まで表示するものもあり、 2000 〜 5000 円程度で販売されています。 ▶▶▶ 024 ▶▶▶ 第 2章 太陽電池のしくみは どうなっているのだろう？ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ た電気は電力会社に売ることができます。 2-1 太陽電池の種類 ④いろいろな発電規模で利用ができる 太陽電池は、発電効率が発電規模でほぼ変わらないので、小さ なものから大きなものまで利用することができます。 太陽電池のメリットとデメリット 一方、デメリットもないわけではありません。 太陽電池は、光のエネルギーをうけて電気エネルギーに換える装置 ①天候の影響をもろに受ける です。ずっと以前は、太陽電池はとても高価なものだったので、宇宙 一番大きなデメリットです。設置場所の環境の影響も受けます。 船のように高度なものにしか利用できなかった時代がありました。し 最初は伸びていなかった木々が、徐々に成長し、やがて太陽電池 かし、今や安価に作ることができるようになり、電卓など身の回りの の場所に影を作ってしまったなどのような事例もあります。また、 いろいろなところで大活躍しています。 このまま温暖化などの気候変動が続くと、設置の当初はよく晴れ そもそも、太陽電池って何なんでしょうか？ る地域だったのに、徐々によく雨が降る環境にへと変化する場合 太陽エネルギーの利用となると、まず最初に屋根の上に置かれた太 も考えられます。 陽熱温水器を思い浮かべる人が多いかもしれません。これは、太陽の ②太陽電池には蓄電機能がない エネルギーでタンクに貯めた水を温めるというもので、太陽電池とは 「電気は貯めておけない」という意味で①の欠点を補う手段を 別のものです。太陽電池とは、上述したように、太陽からの光エネル 講じなければなりません。雨の日や夜には、電力系統につなぐか、 ギーを電気エネルギー変える装置のことです。 蓄電池をつないでおく必要があります。 ③他の電源に比べてエネルギー密度が小さい 太陽電池のメリットは、 このため、どうしても広い面積が必要となってしまいます。 ①エネルギー源が無尽蔵 太陽は、人類が生きていく間ぐらいの期間では、安定してエネ ルギーを供給してくれます。その意味で、太陽エネルギーは無尽 蔵で、枯渇の心配がないといえます。 ②クリーンなエネルギー源 太陽光発電は、発電時には、二酸化炭素を出さないので、地球 温暖化を防止するのに一役買っています。 ③電気の自給や売電が可能 電気を電力会社から買うばかりでなく、電気を自給したり、余っ ▶▶▶ 026 ▶▶▶ 太陽電池の種類 このような太陽電池ですが、一言にいっても次ページ（図 2-1）に 示したように、いろいろな太陽電池があります。 作られる材料の面で区別すると、 ・シリコン系 ・化合物系 ・有機系 この 3 つに分類できます。現在、もっともよく利用されているのは ▶▶▶ 027 ▶▶▶ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ シリコン結晶型です。電卓など小型の身の回りの製品にも使われ、日々 活躍中の太陽電池の大部分は、アモルファス・シリコン太陽電池です。 これらの太陽電池ですが、現在、どのような用途に使われているの でしょうか。右の表にまとめてみました。 現在、太陽光発電システムによく利用されているのは、シリコン半 導体の太陽電池です。シリコン半導体の単結晶型および多結晶型は、 変換効率および信頼度が高いので、広く利用されています。一方、ア モルファスシリコン太陽電池は、結晶系のものと比べて、変換効率は 悪いですが、なんといっても製造コストが低いので、電卓や腕時計な どに広く利用されています。第 5 章でご紹介する有機系の太陽電池が 活躍するのは、まだもう少し先のことになりそうです。 図 2-1 太陽電池の材料での分類 （ 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 HP http://unit.aist.go.jp/ rcpvt/ci/about_pv/types/groups.html） また、構造や動作原理で分類することもできます。同じく産総研の ホームページでみてみると、図 2-2 のように分類されます。 ▶▶▶ 028 ▶▶▶ ▶▶▶ 029 ▶▶▶ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ 2-2 太陽電池の発電原理 シリコン系の太陽電池 ところで、太陽電池の発電原理について見ていきましょう。太陽電 池は、P 型半導体と N 型半導体という 2 種類の半導体接合しています。 P 型半導体と N 型半導体については詳しく後述します。 下の図を見て下さい。 図 2-2 太陽電池の構造や動作原理での分類 （ 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 HP http://unit.aist.go.jp/ rcpvt/ci/about_pv/types/groups.html） わかりやすいようにもう１つ図を用意しました（次ページ）。正し い太陽電池の図は上の図ですが、次の図は説明をするのには都合がよ いので両方を見て下さい。 ▶▶▶ 030 ▶▶▶ ▶▶▶ 031 ▶▶▶ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ すると、どうなるのでしょうか？ シリコンは 4 価の元素といって、となりの原子とつながるときに、4 本の手をもってつなぎあっています。 ところが、ホウ素やインジウムは、じつは 3 本の手しかもっていな いので、これをシリコンの中に入れると、シリコンの手が 1 本余って しまいます。逆に、リンやヒ素は 5 本の手をもっているので 1 本余っ てしまいます。 このため、シリコンだけのときは、整然とシリコンが並んでいて、 電子の移動がむずかしかったが、3 本の手のものや 5 本の手のものが 混ざることで、シリコンの列の中にすき間やひずみがあちこちにでき、 電子がうまく通ることができるようになります。つまり、電気を通す ことができる状態になったということです。 半導体に光があたると、 光があたったところに電子（－）と正孔（ホー ル） （＋）の対が生じます。生じた電子は N 型半導体に引き寄せられ、ホー ルは P 型半導体に引き寄せられます。N 型半導体には電子の－が集まり、 P 型半導体にはホールの＋が集まるので、両極に導線をつなぐ前は、ま さに乾電池の＋極と－極のようになっているとイメージしてください。 両極に導線をつなげば、電子は N 型から外部に出て P 型に向かって 流れます。電流は電子と逆向きに流れますので、P 型から外部に出て N 型に向かって流れます。ホールがその向きに流れているわけです。 P型半導体とN型半導体 さて、P 型半導体、N 型半導体について、もう少し詳しく見ていきま 図 2-3 P 型半導体（Ⅳ = シリコン、Ⅲ = ホウ素 or インジウム） しょう。 現在、アモルファス・シリコン太陽電池の主な材料は、いうまでも さらにもう少しだけ詳しく説明しましょう。 なくシリコンという半導体です。シリコンは、そのままではほとんど電 シリコンのように 4 本の手をもっているものを「4 価の元素」といい 気を流さないので、電気が流れるようにするため、シリコンの中にホ ます。一番外側に 4 個の電子をもっています。 「3 価の元素」では 3 個、 「5 ウ素やインジウム、あるいはリンやヒ素を少しだけ加えて利用します。 価の元素」では 5 個の電子をもっているわけです。 ▶▶▶ 032 ▶▶▶ ▶▶▶ 033 ▶▶▶ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ シリコンに 3 価の元素をほんの少し加えると、電子が足りなくなる ところができます。これを「ホール（正孔） 」といいます。電子は、そ Ｎ型とＰ型半導体を貼り合わせて作る太陽電池 れ自体がマイナスの電気なので、電子が足りないホールは、まるでプ 太陽電池は、Ｎ型半導体とＰ型半導体を貼り合わせて作ります。pn ラスの電気のようにふるまうことになります。 接合の接合面付近には、エネルギーの大小によりエネルギーギャップ このようにして電気を通るようにした半導体を「Ｐ型半導体」とい ができています。このエネルギーギャップより大きいエネルギーをもっ います。Ｐは、ポジティブのＰです。Ｐ型半導体に電圧をかけると、ホー た光のエネルギーが照射されると、電子・正孔のペアーが生まれます。 ルは図 2-3 のようにプラス極側からマイナス極側の方向に向かって流れ 電子はエネルギーの低い n 型へ、正孔は p 型に引き寄せられ、それ ぞれに集まり、その結果として、n 型と p 型の間に起電力が生じます。 ます。 これが一般的なシリコン型太陽電池の発電原理となります。 太陽電池では、ｐ側がプラス電極となって電流が流れだし、マイナ ス電極のｎ側へ流れるというわけです。 【太陽光発電のしくみ】 反射防止膜 太陽エネルギー 図 2-4 N 型半導体（Ⅳ = シリコン、Ⅴ =5 価元素） 電子 一方、シリコンに 5 価の元素をほんの少し加えると、電子（自由電子） が余ってしまう所ができます。これを「Ｎ型半導体」といいます。Ｎは、 ネガティブのＮです。Ｎ型半導体に電圧をかけると、電子は図 2-4 に示 すようにマイナス極側からプラス極側の方向に向かって流れます。 ▶▶▶ 034 ▶▶▶ N 型半導体 電極 P 型半導体 太陽電池 （ソーラーバッテリー） ▶▶▶ 035 ▶▶▶ 第 2 章 太陽電池のしくみはどうなっているのだろう？ それを廃棄するときに、環境汚染が広がるのではないかという問題も 2-3 より環境に優しい太陽電池を求めて 指摘されているわけです。 シリコン系以外の太陽電池（化合物系・有機系） シリコン系以外の太陽電池は、化合物系と有機系です。有機系はま 1973 年に、全世界がオイルショックにみまわれ、日本でも、それへ だまだこれからの研究開発が進むのを待たなければなりません。 の対処として、サンシャイン計画が進められ、太陽光発電が見なおさ れました。また、1992 年の地球サミットではそれまでからもいわれて 化合物系は、家庭用の太陽電池として最近、活躍するようになりま いた火力発電による地球の温暖化および酸性雨の問題が指摘されまし した。○ページ図 2 － 1 に示しましたように、大きく分けて 3 つのタ た。1997 年には日本の京都で、地球温暖化防止京都会議が開かれ、京 イプに分かれます。 都議定書が提案されました。このような流れからも太陽光発電は注目 ・Ⅲ - Ⅴ族多接合系 されてきましたが、2011 年 3 月 11 日におこった東日本大震災とそれに 代表例は、GaAs（ガリウムヒ素）系太陽電池です。単結晶の GaAs は、 続く福島第 1 原子力発電所の事後により、ますます自然エネルギーに 注目が集まり、太陽電池に期待が寄せられています。 このような歴史のうねりの中で、太陽電池の研究開発はどんどん進 み、発電効率も以前と比べると格段によくなってきています。 高効率ですが、とても高価なので宇宙用とされています。 ・CIGS 系 CIGS 系は、コストパフォーマンスが優れています。シリコンに代 わり、銅、インジウム、セレン、ガリウムなどのカルコパイライト系 を使用して化合物半導体を形成して作られた太陽電池です。代表的な シリコン系太陽電池の問題点 ものは Cu（In,Ga）Se2 や Cu（In,Ga）（Se,S）2, CuInS2 などで、そ しかし一方、シリコン系の太陽電池では、いくつかの問題も指摘さ れぞれ使用されている材料の頭文字を使って CIGS, CIGSS, CIS など れています。太陽電池が実際に動いている最中には、確かに二酸化炭 と呼ばれています。 素を出しませんが、 シリコンを利用して太陽電池を製作する段階では、 小さな面積で軽いので、携帯電話への搭載が期待されています。 多量の電力が必要であるため多量の二酸化炭素が大気中に放出される ・CdTe ことになります。 CdTe 薄膜を用いた太陽電池で、2 枚のガラスに太陽電池を挟み込 また、シリコンはコンピュータのＣＰＵなどに利用されますが、無 んだ形態のモジュールを用います。カドミウムは有毒ですが、少量で 尽蔵にあるわけではないので、太陽電池に利用するよりも、コンピュー しかも安定した化合物としてモジュールに閉じこめられているため、 タに利用するほうがよいといわれています。 環境負荷の低い太陽電池とも考えられています。 さらに、シリコンを使用した太陽電池にいろいろな元素を混ぜます が、それらのなかには有毒な元素もあります。太陽電池に寿命がきて ▶▶▶ 036 ▶▶▶ 日本では販売されていませんが、性能が良くかつ安価であるため、 米国や欧州では実用化されています。 ▶▶▶ 037 ▶▶▶ これら化合物系の太陽電池は、結晶シリコンに比べて太陽光の吸収 に優れています。また製造方法もいろいろ選択することができ、高性 能品から低価格なものまで作ることができます。宇宙利用に向けて高 度な研究開発が進められている一方で、家庭用でも使える低コストの ものとして注目されています。 有機系も多くの問題点の解決につながる電池として期待されている のですが、まだまだ研究開発段階といわざるを得ません。 ですが、本書第 5 章において、環境負荷がより小さい次世代型の太 陽電池「色素増感太陽電池」についてぜひご紹介したいと思ってます。 また実際に、この太陽電池は、皆さん自身で手作りできます。いろい ろな作り方を紹介しますので、みなさんも作ってみて下さい。 ▶▶▶ 038 ▶▶▶ 第 3章 パネル 1 枚で 太陽光発電システムを 作ってみよう 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 3-1 独立型太陽光発電システム ソーラーパネル（太陽電池） 太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するマシンで 許可申請 す。太陽電池では、直流（DC：Direct Current）の電気を発生します。 ipad や携帯音楽メディアなどは、直流の電気機器ですので、電圧を調 自分で作る簡単な発電システム 整すれば稼働させることができます。AC アダプター（後述）を使って 独立型太陽光発電システムは、電力会社との間で売電などの電力の 直流に直して使うものは動作します。しかし、家庭で使用するやや大 やり取りを行わないで、太陽電池で発電した電気だけでいろいろな家 型の電気製品では、交流（AC：Alternating Current）を用いますので、 電製品などを動かそうというシステムです。 そのためには、太陽電池で発電した直流をインバーター（後述）で交 流に変換する必要があります。 ところで、それでは、太陽光発電で電化製品を動かそうとすると、 どれほどの電力が必要なのでしょうか？ たとえば、100V/60W の電化製品を 3 時間利用するとし、1 日あたり の消費電流量を求めてみましょう。単位は Ah/D です。また、太陽電 池の平均的な出力電圧を 12V としておきます。 テレビでは、 6 0 W � 3h / D = 15 A h /D 12 V となります。さらにインバーターなどでのロスを 20%と考えますと、 1 日の消費電流量 A は、 図 5 独立型太陽光発電システム 冒頭でも紹介したように、太陽電池パネルを買ってきて、いざ太陽 発電開始！というときに、必要なものを図 5 に絵で紹介しました。 それでは、それぞれ、どんな役割をするのかもう少し詳しくみてい 15 A h /D = 18 .8 A h /D 0.8 となります。 太陽電池の 1 日の必要電流の値 B は、太陽電池の 1 日の平均日照時 間を 3.3 時間としますと、 きましょう。 ▶▶▶ 040 ▶▶▶ ▶▶▶ 041 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 3 枚目を直列に加えれば、最大出力も 3 倍になり、最大出力電圧も 3 倍になります。 18 .8 A h /D = 5.7 A 3.3h / D ・並列接続： となります。このことから、太陽電池パネル 1 枚の出力電流が 5.7A 以上あればよいことがわかりました。もし、出力電流がそれ以下の場 合には、太陽電池パネルを 2 枚準備する必要があるとわかります。 太陽電池のプラス極どうし、マイナス極どうしを接続するつなぎ方 です。出力される最大出力電圧は 1 枚のときと同じですが、最大出力 電流が 2 倍になります。その結果、最大出力も 2 倍となります。 さて、上述のように、1 枚のパネルで、発電量が足りない場合には、 パネルを複数枚使う必要があります。パネルを接続する方法は、直列 3 枚目を並列に加えれば、最大出力も 3 倍になり、最大出力電流も 3 倍になります。 接続か並列接続になります。 太陽電池パネル 1 枚の性能が図のようなときについて説明します。 バッテリー（蓄電池） 太陽電池は光が当たっているときのみしか発電しません。光エネル ギーが途絶えると、電気エネルギーに変換できないわけです。つまり ・直列接続： 乾電池のように電気を蓄える機能はありません。しかし私たちは、夜 でも雨が続いても電気を使いたいわけです。 そこで夜間や雨の日に電気を使いたいときは、太陽電池で発電した 電気を、バッテリー（蓄電池）に蓄えておいて、その蓄えた電力を使 うことになります。安定した太陽光発電システムを構築したいときに は、必ずバッテリーが必要となります。 下記の写真はディープサイクルバッテリーですが、自動車のバッテ 太陽電池の一方のマイナスを他方のプラスと接続するつなぎ方です。 リーでも十分にいろいろなことができます。 出力される最大出力電流は 1 枚のときと同じですが、最大出力電圧が 2 倍になります。その結果、最大出力も 2 倍となります。 ▶▶▶ 042 ▶▶▶ ▶▶▶ 043 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう のが壊れてします。そこで、過充電にならないようにするために、チャー ジコントローラー（充放電コントローラー）を用います。 チャージコントローラーは、バッテリーの電圧を監視し、充電が完 了すると、充電をストップするようになっています。そして、バッテリー の電気が減ると充電を開始します。 連続無日射保証日数 （日） を、 ふつうは 3 日から 5 日程度に設定します。 ここでは、4 日で計算してみます。バッテリーでのロスを 20％程度と すると、バッテリーの容量 X〔Ah〕が求まります。 A 18 .8 X = = = 23 .5 A h 0.8 0.8 となります。 DC-ACインバーター（直流-交流変換器） DC-AC インバーターは、直流を交流に変換する機器です。太陽電池 で発電した直流 12V を交流 100V に変換します。これで、家庭のコン セントと同じ役割ができるようになります。インバーターのコンセン トに、いつもと同じように電化製品を接続すると使用できるようにな ります。 チャージコントローラー （充放電コントローラー） バッテリーには蓄えられる電力の量に限界があります。自動車のバッ テリーの場合でもそうです。その限界を超えてバッテリーに電気を送 ると、バッテリーの寿命を縮めるだけなく、バッテリーの本体そのも ▶▶▶ 044 ▶▶▶ ▶▶▶ 045 ▶▶▶ 第 1 章 太陽電池パネルを 1 枚買ってみたけれど ････ た正弦波がでるマシンのほうが望ましいです。しかし疑似正弦波の場 合は、パソコンやテレビ・電子レンジなど、たいていのものは大丈夫 ですが、インバーター方式の蛍光灯やマイコン制御のものは、駆動で きないので、注意する必要があります。 DC-DCコンバーターを使う場合 後にご紹介する「がんばろう 1 号」で使用しています。これは〜を〜する ためです。〜 トランス？ これらの他に、逆流防止ダイオードやヒューズを準備するとなお安 全です。逆流防止ダイオードは、チャージコントローラーの内部に入っ ている場合もあるので、その場合は必要ではありません。 また、出力が AC, すなわち交流ですので、その波形が大事となります。 出力波形には、下図のように正弦波（サイン波） 、疑似正弦波があります。 逆流防止ダイオード 太陽電池の出力が少ないとき、バッテリーから太陽電池へ電流が逆 流するのを防止します。バッテリーから太陽電池へ電流が流れると太 陽電池パネルを破損することがありますので、注意する必要がありま す。一般に、チャージコントローラーに内蔵されていることが多いので、 仕様書を参考にして下さい。 ヒューズ 短絡、過電流による事故が発生した場合、ヒューズが切れることに よって回路が遮断され、それ以上の事故を未然に防止します。ヒュー ズはなるべくバッテリーの近くに設置します。このシステムで揃えた 電気製品に内蔵されていることもありますが、さらに取り付けておく 正弦波（サイン波）の場合は、どんな家電製品でも、家庭のコンセ とより安全性が向上します。 ントと同じように使えます。精密機器を用いる場合には、きちんとし ▶▶▶ 046 ▶▶▶ ▶▶▶ 047 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 3-2 独立型太陽光発電システムを 自作しよう！ ここにできれば全体の回路図を載せたいのですが……（電流計なども含 めてもかまいません） 自由自在に移動できる台車型 「がんばろう1号」 の全体像 いよいよお待ちかねの自作の段階です。 私の 研 究 室の 場 合 は、回りにあった器材 を流用して製作したよ うなもので、 ▶▶▶ 048 ▶▶▶ ▶▶▶ 049 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 台車の工夫 パーツの配置 独立電源として、実用性を感じることができるには、家のベランダ それでは、具体的に組み立てていきましょう。 や庭に設置するのもいいですが、著者は、手押し車型が優れていると 考えています。 準備するものは、前節で紹介したタイプのものです。まったく同じ にする必要はありません。 まずは、なんといっても手作り感を満喫できます。そこで、手押し 仕様一覧です。（電流計など検査機器、テレビなど出力機器除く） 車型独立太陽光発電システム「がんばろう 1 号」 （著者が勝手に命名し ていますが）を製作することにしました。 手押し車型が優れている理由は、たくさんありますが、その 1 つに、 どこへでも移動させることができるということがあります。日陰にな 太陽電池パネル 30 年前の 20W パネル（NEDO より提供） シャープやパナソニックや京セラなど、現在では性能のいいパネル が、各メーカーから市販されています。 れば、日当たりのいい場所にさっと移動できる。ベランダや庭に固定 ちなみに、すべてを揃えて 10 万円程度以下に抑えようと考えている してしまったら、日陰のときには、また日が当たるまで待っているし 場合は、50W 相当のものでもネットでは 1 万円以下で購入できます。 か仕方がないですが、手押し車型はそんな必要がなく、日に当ててさっ 100W パネルでも 2 万円以下で市販されているものもあります。 と発電！です。まさに「がんばろう 1 号」 、名前通りの活躍です。 また、これまでに、いろいろな部品について説明しましたが、これ なお、このとき、コントローラーなど込みでの市販も増えていて、 よりお買い得感があります。 らの部品を、接続したり外したりは面倒です。オールインワン形式に バッテリー 組み立てておけば、その煩わしさから解放されます。 本書ではディープサイクルバッテリーを利用しています。Concord 大きさがかさばらないサイズなので、軽自動車やワンボックスカー 社（コンコルド）製の SUN-XTENDER シリーズで、品番は ESX-340T の荷物室にこのまま入れておいて、オートキャンプ地に運び込んで、自 で品名は PVX-340T です。主要仕様は、完全密閉型ディープサイクル 動車から下すと、すぐ発電！です。 バッテリーで、容量（24 時間率）は 34Ah です。ディープサイクル型は高く、 また、太陽電池パネルの傾きを調節できますので、午前中でも午後 でも、太陽の角度にあわせて最適な設置が可能となります。 この手押し車型、良いことずくめです。ぜひ、トライしてみて下さい。 市販では 4 万円程度で売っているものです。 しかし、自動車のバッテリーでも大丈夫です。ただし、ディープサ イクルバッテリーほど寿命は長くはありません。 チャージコントローラー 本書では Xantrex（TRACE）充電 / 放電 / 転換コントローラーを用 いています。 国内メーカーとしては未来舎のソーラーコントローラー（太陽電池 充放電制御器）もあります。13000 円程度の価格でネット販売もされて ▶▶▶ 050 ▶▶▶ ▶▶▶ 051 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう います。 DC-AC インバーター 本 書 で は セ ル ス タ ー（CELLSTAR）DC-AC イ ン バ ー タ ー HG500/12V 専 用 HG-500/12V を 用 い ま し た。 こ ち ら も ネ ッ ト 販 売 で は 7500 円程度で、またいろいろなメーカーからも市販されています。 DC-DC コンバーター 当初の「がんばろう1 号」では〜 なぜ必要か簡単に〜 ネット販売では 2000 円台から〜 「がんばろう1号」 の能力 がんばろう 1 号（手押し車型独立太陽光発電システム）では、たまたま、 研究室に残していたものを組み合わせた出来合いのものです。ですの で、「がんばろう 1 号の能力は？」と聞かれても、部品を変えれば、ま だまだ上がるといいたいのですが、実際に実働しているものでご紹介 してみましょう。 太陽電池パネルの性能からいいまして、全体の能力としては、15Wh をキープできればよいというレベルだと考えます。太陽電池パネルを 100W タイプや 200W タイプに変更すれば、発電能力は格段に上がりま す。 ▶▶▶ 052 ▶▶▶ ▶▶▶ 053 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 充電時間は、今回搭載したディープサイクルバッテリーへの充電時 間となり、放電時間も、ディープサイクルバッテリーの能力によるこ とになります。 1-1 出力側の工夫 ちなみに、がんばれ 1 号に搭載したバッテリーは、満充電された場合、 ○○の容量になり、20W 電球なら○○時間点けっぱなしにできるというも のです。 さて、がんばろう 1 号では、約 30 年前のもので 20W 出力という、 台車 いまや骨董品ともいえる太陽電池パネルを使ってみました。いまやパネ 本章の冒頭でも説明しましたが、 「がんばろう 1 号」では台車を利用 ル 1 枚で 100W 以上の性能のものが市販されている時代ですから、い しました。 かに性能の低いものかおわかりいただけると思います。太陽電池パネ まず、手押し車として、台のサイズが約 50cm × 70cm 程度で、十分 に大きな車輪のついたものを、ホームセンターなどで選んでください。 車輪の小さな安価なものだと、でこぼこ道を移動させるのが難しくな りますので、ぜひ、 車輪の十分大きなものを選んでください。場合によっ ルの寿命が 30 年と言われていますので、寿命が近づいているというも のですが、使い方しだいで、写真のようにまだまだ活用できます。 日が陰ったときでも、発電できるのかどうかがわかるように、バッ テリーを取り外して、写真のような実験をしました。 ては、手押し車自体を、手作りされてもオーケーです。 手押し車の台座の上に、次ページの写真のように、バッテリー、チャー ジコントローラー、インバーターなどを取り付けて下さい。写真では、 電流計などのメーターを手押しの取っ手の部分につけてみましたが、必 ずしも必要ではありません。 また、このようなシステムは、実は、太陽電池の場合だけでなく、 風力発電や水力発電などの場合にもそのまま使えます。まさに、メー ターが取り付けられたボードは、風力発電でもそのまま活用している ものです。 続いて、太陽電池パネルと実際に使いたい製品を設置してみて下さ い。手押し車の取っ手のない側に、太陽電池パネルがすべり落ちない ように L 字アングルを用いてストッパーをつけました。 がんばろう 1 号では 10 インチ 12W の液晶テレビを搭載してみました。 ▶▶▶ 054 ▶▶▶ 太陽電池パネルからの出力を DC-DC コンバーターを用いて、直接、 液晶テレビに入力しました。DC-DC コンバーターを用いないで、太陽 電池から直接だと製品が壊れる場合があるので注意しましょう。 ▶▶▶ 055 ▶▶▶ 第 1 章 太陽電池パネルを 1 枚買ってみたけれど ････ DC-DC コンバーターは、写真のような配線をします（実態配線図）。 DC-DCコンバーターについて（これはなぜ必要か？再度） さて、今回は、太陽電池パネルと液晶テレビを直接つなぎましたが、 間に用いたのは、DC-DC コンバーターです。DC-DC コンバーターは、 どのような回路でできているのでしょうか？ 手始めに、12V だけを出力する回路です。 DC-DC コンバーターの部品に関しては、 ・NJ㎡ 360（IC チップ） NJ㎡ 360 は、DC/DC 変換用スイッチング電源 IC です。大容量 の出力スイッチを内蔵していますので、1.5A のスイッチング動作 が可能です。外付け素子は少なく、ステップアップ、ステップダ ウン、インバーター等のアプリケーションが容易に行える IC チッ プです。また、外部抵抗を付けることにより出力電流制限も可能 となります。 液晶テレビの DC 入力端子が 12V なので、切り替えスイッチを 12V にあわせて、太陽電池で発電した電力をテレビに入力しました。 照度計も置いています。照度が 20000Lx（ルクス）の曇りの状態でも、 テレビがみられることが確認できました。 ・R_SC（酸化金属皮膜抵抗） ・D_1（ショットキーバリアダイオード） 逆耐圧が大きめのものを選んでいます。 ・100、470 μ F（電解コンデンサー） 470pF はフィルムコンデンサーです。 ・R_1 と R_2（抵抗） この比率で出力電圧が変わります（IC の 5 番ピンの入力が 1.25V になるように調節されます）。 出力電圧を 12V にするには、R1 が 10k Ωの場合 R2 を 86k Ωに しましょう。また、出力電圧を 5V にするには、R1 が 10k Ωの場 合 R2 を 30k Ωにします。 ・V_IN と V_O（ ） V_IN は V_O よりも高い必要があります。また、入力電圧が ▶▶▶ 056 ▶▶▶ ▶▶▶ 057 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう 40V を超えると IC が壊れる可能性がありますので、35V 以下程度 に抑えておきましょう。 もっと小さなシステムでも何かできるの？ 以上です。ぜひ、DC-DC コンバーターも手作りしてみてください。 ただしこのときは、バッテリーで蓄電していませんので、日が陰りきっ てしまうと、太陽電池が発電しませんので、テレビも消えてしまいます。 もっと、小さな太陽電池パネルでもできることは、まだまだあります。 B4 用紙程度の大きさで、10W 程度の発電量のものを、がんばろう 1 号の太陽電池パネルの代わりに置いてみました。 もちろん、12W の液晶テレビは、もう見れませんでした。しかし、 携帯型のワンセグテレビがあります。これを、インバーターのコンセ ントに AC アダプターを指してトライしたところ、きちんと見ること ができました。 ところが、AC アダプターなどを通すと、発電した電力のうちの 10％ 以上のロスがありますので、曇り始めるとテレビは消えてしまいます。 そこで、先ほどの DC-DC コンバーターをワンセグテレビの 5V に合 わせて、テレビをつけてみました。今度は、少々曇ってもテレビはつ いたままです。 このシステムなら、太陽電池も 1 万円以下（ほぼ 7000 円前後）で、 購入できるので、非常に安価に、携帯電話の充電マシンぐらいの働き はしてくれます。 写真は、AC アダプターを用いて形態型ワンセグテレビを見ていると ころです。照度計の後ろにあるのが太陽電池パネルです。 ▶▶▶ 058 ▶▶▶ ▶▶▶ 059 ▶▶▶ 第３章 パネル１枚で太陽光発電システムを作ってみよう ▶▶▶ 060 ▶▶▶ ▶▶▶ 061 ▶▶▶ ▶▶▶ 062 ▶▶▶ 第 4章 電気は貯めておけない！ だから…… 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 4-1 電気を貯める蓄電システム 夜には発電できない。 だから…… これから、いつ電力会社からの電力供給が途絶えても、家庭生活や オフィスの機能が維持できるように、安全のバックアップシステムが 必要であるといえます。 また太陽電池の最大のデメリットは、「夜には発電できない」ことで す。もちろん、雨の日が続けば、発電できないので、電化製品を使う ことができません。このため、蓄電に注目が集まっています。 本書では 2 通りの蓄電システムについて紹介します。 1 つは、がんばろう 1 号に搭載したこれまでの蓄電システムの応用編 です。もう 1 つは、少しスマートシステムに近づいてみて、蓄電をど うするかを考えるというものです。その先の延長には、電気自動車に そのまま充電し、これを蓄電システムとして活用しようという方向が 提案されています。今後のトレンドになるかも知れません。 蓄電池にはどんな種類があるか 蓄電を行うには、いずれにしても蓄電システムが必要です。携帯電 話や PC で使っている電池は、充電が可能な蓄電池です。現在のところ、 蓄電を行うには、蓄電池やコンデンサーを利用します。 蓄電池というとすぐに「バッテリー」という言葉が出てカーバッテ リーをイメージしますが、通常バッテリーは蓄電池全体を指します。 またもう１つの「コンデンサー」 、日本ではそういいますが、アメリ カでは「キャパシター」と呼ぶのが一般的です。実際に、前述しました ように、道路のセンターラインを夜になると点滅して知らせてくれる ▶▶▶ 064 ▶▶▶ ▶▶▶ 065 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 道路鋲では電気二重層を利用した大容量のコンデンサーが使われてい ます。また、テレビなどを留守録する機能では電気二重層コンデンサー が利用されてきました。 4-2 鉛蓄電池の代表 ……カーバッテリーの規格の読み方 コンデンサーの場合は、耐用年数が比較的長いので、蓄電池よりも 高価であっても、最終的なコストを考えた結果、利用される場合があ ります。しかし、蓄えることができる電気容量が小さいため、少しで も大きな電力が要求される場合は、蓄電池の利用となります。 ここで、バッテリーの規格の説明に用いられる用語を整理しておき ましょう。 前ページに、蓄電池の性能の比較をしておきました。 基本用語 現在、蓄電池として広く利用されているものは「鉛蓄電池」と「リ ・公称電圧 チウムイオン二次電池」です。そのほかには、電気二重層コンデンサー 電池を通常の状態で使用した場合に得られる端子間の電圧の目 （大容量コンデンサー）があります。これらを総称して「二次電池」と 安として定められている値のことをいいます。満充電に近い電池 では、公称電圧より高い端子電圧になるときがあります。また、 もいいます。 鉛蓄電池は、なんといってもコストが安いのが魅力です。 放電が進んだ場合や、負荷に大きな電流を供給する場合には、公 アルカリ蓄電池は、そう多く使われていないのでここでの解説は省 称電圧より低い端子電圧となります。 略します。 ・放電容量 そこで自作の太陽光発電システムでは、鉛蓄電池を使えばよいとい えます。それはやはり安価で大容量であるからです。 電池の容量のことです。電池は、使い始めには定格電圧を出力 しているが、放電を行うにつれて電圧は徐々に降下し、電池を電 源として動いていたマシンは止まってしまいます。この電圧を終 止電圧といいます。電池の容量は、使い始めから使い終えるまで に電池から取り出し、放電した電気量のことです。つまり、消費 電流を I とし、終止電圧に達するまでの時間を t とすると、It〔Ah〕 となります。 ・エネルギー密度 1kg あたりに蓄電可能な電力の数値を意味します。 ・充放電効率 充電を 100 として放電できる割合を意味します。 ▶▶▶ 066 ▶▶▶ ▶▶▶ 067 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… ・サイクル寿命 充放電を繰り返すことをサイクルといいます。サイクルを繰り ①性能ランク（単位なし） 返すことにより、電極自体もいたみ、バッテリーの劣化につなが バッテリーの総合性能（始動性能・容量）を表します。数値が大き ります。この充放電の回数が 1 万回できるものも市販されていま いほど性能がよくなります。50 未満では 2 刻みで、50 以上は 5 刻みの すが、一般には、充放電の回数はもっと少ない寿命となります。 表示になっています。 これをサイクル寿命とよんでいます。 ・保存寿命 電池に蓄えられている電気の量が、電池を使用していないにも 関わらず、時間の経過と共に徐々に減り、電圧が下がってしまい、 電気製品を動かせなくなってしまいます。そのときの時間を保存 自作の発電システムにおいては、この数値がもっとも重要で、むし 寿命といいます。 ろ他はどうでもいいとも言えるかも知れません。 自動車用バッテリーの表示の読み取り方 通常、自動車に使われているバッテリーは 12V と言われていますが、 性能ランクは、2006 年版「JIS D 5301 始動用鉛蓄電池」において、 次のように定義されました。 正確には 12.6V です。 （24V もある？） 自動車のバッテリーでは、形式が上面に表示されています。国内の 性能ランク＝ 製品の場合には、JIS 規格で表示されています。たとえば、下記のよう な場合について詳しくみてみましょう。 なにやら難しい定義ですね。 まず CCA（Cold Cranking Ampere ）とは、定格コールドクランキ ング電流のこと、すなわち摂氏 -18℃の状態で、定電流放電を 30 秒間 実施した場合、12V バッテリーが 7.2V まで低下するような放電電流の 値のことをいいます。 「55B24R」は、日本車では、一般によく使われるバッテリーです。自 動車部品専門店などに行くと 6000 円から 1 万円までで購入できます。 自動車用バッテリーの上面には、上記のような表示があります。こ 続いて、RC とは、定格リザーブキャパシティのこと、すなわち満充 電できたバッテリーを 25℃のときに放電した場合、端子電圧が 10.5V に達するまでの持続時間を（分）で表した値を RC と決めました。 の表示の①②③④は、順に、性能ランク、バッテリーの短側面のサイズ、 たとえば、性能ランクが 55.0 の場合、 バッテリーの長さ寸法、バッテリーの極性位置のことを意味します。 それでは、より詳しくみてきましょう。 （国産 JIS 規格のケース） ▶▶▶ 068 ▶▶▶ 性能ランク ＝ ＝ 55.0 となりますが、その根拠となる数値は、CCA が 370A（定格値）で、 ▶▶▶ 069 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… RC が 64 分（定格値）の場合、上式で計算したとおり、55.0 となり、 記号は、A から H の順に大きくなります（単位：mm）。 表示値が ｢55｣ となります。 なお Ah 表示とは、バッテリー容量の定義方式です。 Ah ＝Ａ×ｈ 容量＝放電電流×放電終止電圧までの放電時間 記号 幅 箱高さ A 127 162 B 129（127） 203 D 173 204 E 176 213 F 182 213 G 222 213 H 278 220 という関係式をイメージしてみて下さい。 国内の自動車用バッテリーは「5 時間率」という基準で表されていま す。つまり、「55Ah」ならば 11A の電流を 5 時間流すことができます、 という意味になります。 たとえば 10 時間率で 100Ah と表示されている 12 Ｖバッテリーは、 10 時間 10 Ａの定電流放電を行った場合に、10．02 Ｖになるという意 味です。つまり、10A の電流を 10 時間放電することができるという意 緑部分カット 図表・作り替え 味です。もし、20 時間率で 50Ah と表示されている 12 Ｖバッテリーな ら、2.5 Ａの定電流放電が 20 時間できないといけないということになり ③バッテリーの長さ寸法（約 cm） ます。 ②バッテリの短側面のサイズ（JIS 規格での幅×箱高さの区分） 図表・作り替え 図表・作り替え バッテリのおおよそ長さ（約 cm）を表します。55B24R では約 24cm です。 ④バッテリーの極性位置 ＋、－端子の極性位置を示しています。マイナス端子の位置です。R、 L、記号なしの 3 タイプがあります。 ▶▶▶ 070 ▶▶▶ ▶▶▶ 071 ▶▶▶ 図表・作り替え 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 実際に自動車にバッテリーを搭載するときは、下の図のようにやる 発電システムへの利用では必ずディープサイクルバッテリーでなけ と覚えやすいですね。 ればならないわけではありません。通常のバッテリー使用の注意点は 「空になるまで使い切らない」ことです。そうであれば、安価なシス テムは維持できるのです。 以上で、自動車のバッテリーを使う場合のバッテリーの違いについ てわかったでしょうか？ ディープサイクルバッテリー ところで、鉛蓄電池といっても最近は店頭でも 2 種類が販売されて います。1 つは一般によく見かける自動車用バッテリー、そしてもう 1 つは電動フォークリフトやカート、一般的な発電システムに推奨さ れているディープサイクルバッテリーです。 この違いは〜 ▶▶▶ 072 ▶▶▶ ▶▶▶ 073 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 4-3 鉛電池以外の蓄電方法 コンデンサ 先にも説明したとおり、日本でいう「コンデンサ」は英語では「キャ パシター（capacitor）」といいます。 その仕組みは〜 充電式乾電池 （2 ページになっても結構です） ○ページでまとめた「蓄電池の性能比較」にも表記したニッケル水 素電池、リチウムイオン電池が一般的です。 なくなった三洋電機の遺産である「エネループ」はパナソニックが ヒットさせています。 （パナソニックには固有ブランドの「エボルタ」 もある） 太陽電池の蓄電システムにも充電式乾電池は多用されていて、ガー デンライトなどでは、昼間に充電して、夜になるとセンサーが反応し て LED 電球を点灯させています。一晩くらいは十分な能力を発揮しま す。 その仕組みの概要は〜 （2 ページになっても結構です） ▶▶▶ 074 ▶▶▶ ▶▶▶ 075 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 4-4 オールドな手作り蓄電システム それでは，このような基礎的な知識をふまえたうえで，手作り蓄電 システムを作ってみましょう。 そこで再度登場してくるのが， 「がんばろう 1 号」です。 がんばろう 1 号を、ベースに蓄電システムを動かしましょう。元来、 がんばろう 1 号では、発電した電力を、すぐにそのまま使おうという 発想だけにとらわれたものではありません。 確かに、太陽が当たっているときに、テレビを見たりなどは、発電 した電気をそのまま利用しているようにも思えますが、少し大きな仕 事をさせたいときには、しばらく、電気をバッテリーに貯めておく必 要があります。 コーヒーを飲みたいので、ヒーターでお湯を沸かしたいというとき に、最近はやりの短時間湯沸かしポットだと 1000W ですから、太陽電 池から直接だと、独立電源方式の場合には、ほとんど無理ですので、バッ 再掲載になるかも知れませ んが、がんばれ 1 号のバッ テリーシステムの写真とか んたんな回路図 テリーに蓄えた電力で沸かすことになります。バッテリーに蓄えたエ ネルギーが不足すれば、また、太陽電池で充電し続けることになります。 そのようなときのためのアイデアが、普通の自動車のバッテリーで いいので、システムのバッテリー（メインバッテリーというわけです） と並列接続にして充電をしておくと、メーターをみていてバッテリー が 13V 程度まで充電されれば、また別の自動車のバッテリーをつない で充電するというようにしていくと、いざ電力不足というときに、サ ブバッテリーをつないで電力を供給すればよいということになります。 ▶▶▶ 076 ▶▶▶ ▶▶▶ 077 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… それでは、実際にはどのようなものが考えられるのでしょうか？ 4-5 家庭電源と連係した蓄電システム ソニー CP-S300 シリーズ 家庭用蓄電池 ホームエネルギーサーバー 300Wh（CPS300E 50Hz、CP-S300W 60Hz 仕様） 家庭の電源からも蓄電 ソ ニ ー の CP-S300E ま た は CP-S300W いま時代は、スマートシステムの時代です。各家庭への電源供給自 は、 サ イ ズ が、W210mm × H350mm × 体がスマートシステムになってきています。このような時代では、系 D270mm とコンパクトで、家庭内におい 統連系型太陽光発電システムに、ローテクのオールドな手作り蓄電シ ても邪魔にはならないサイズです。価格 ステムをつなぐわけにもいきません。 も約 15 万円以下です。充電は、家庭のコ そこで、蓄電機自体の購入ということになります。しかし、それで は本書の目的にかないません。 普段、活用するときは、系統連系型太陽光発電システムに接続するか、 あるいは、電力会社から提供される電力で蓄電するということでオー ンセントから直接行います。家電製品を 利用するときは、マシンの側面コンセン トに製品を直接接続し、マシンの出力ボ タンを押せば使えるというものです。 ケーです。しかし、がんばろう 1 号のような独立型太陽光発電システ ムにも、接続し、蓄電しようというわけです。 本来なら、自宅のコンセントに差し込んで、蓄電するものではあり このマシンでは、ソニー製オリビン型リン酸鉄リチウムイオン二次 電池が使われています。電池の容量が 300Wh あります。30W の電化 ますが、自宅であっても、あえて庭にがんばろう 1 号のような太陽光 製品の場合、ほぼ 10 時間程度使えるというわけです。カタログでは、 発電システムを置き、この蓄電池に充電をしていくわけです。つまり、 LED の照明器具（25 ワットの場合）で約 10 時間、携帯電話やスマー オールドな手作り蓄電システムのかわりに、この蓄電器を接続すると トフォンなら約 30 回充電することができるとあります。 いう使い方にあります。 もう少し容量が大きなものだと、株式会社トライワープソリューショ ンズのタイガーボルトというものがあり、大容量蓄電で 780Wh です。 連係の イラスト作成 ▶▶▶ 078 ▶▶▶ 最大約 6 時間程度の使用が可能であるとされています。こちらの価格 は約 30 万円です。 ▶▶▶ 079 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 4-6 系統連系型太陽光発電への ロードマップ 電気を売ったり買ったりできるシステム 読者のみなさんは、太陽電池パネル１枚で、いったい何をする気な のかと思ってこられたことと思います。屋根の上に太陽電池パネルを 取り付けて、家庭で消費する電力はもちろん、電力会社に余った電気 を売電し、少しは生活の足しになればと考えておられるみなさんも多 いかと思います。（現在では、「電力が足りない」と叫んでいる電力会 社に協力できるかもしれません） 実は、1992 年には電気事業法の改定があり、個人でも売電ができ るようになっています。そのためには、太陽光発電システムを電力会 社の送電線網とつないで、電気を売ったり買ったりできるようにする 必要があります。 電力会社の送電線網を「系統」といいます。ですので、系統連系型 太陽光発電とは、まさに電力会社の送電線網につながった太陽光発電 システムだといえます。 現在、その導入が盛んに叫ばれ、ビジネスとしても賑わっています。 一般には、系統連系型太陽光発電では、３kW システムが普及して います。標準家庭だと、このシステムを導入すると、年間使用電力量 の約 80 ～ 90％がまかなえると考えられています。2011 年 3 月 11 日 電気自動車という蓄電システム 不要 の東日本大震災以降では、節電型の生活を行っている家庭が増えてい ますが、そのような家庭でしたら 100％自給が可能です。 この３kW システムですと、太陽電池パネルが占める屋根の面積は 約 24㎡程度になります。24㎡とは、４m ×６m あるいは３m ×８m というイメージです。部屋の広さでいえば、14 〜 15 畳分です。 ▶▶▶ 080 ▶▶▶ ▶▶▶ 081 ▶▶▶ 第 4 章 電気は貯めておけない！ だから…… 2010 年ごろには、このシステムでは工事費込みで 150 万円～ 200 万円まででしたが、徐々に安価になってきています。（補助金制度も インバーターあるいはパワーコンディショナー 独立型システムのときにもお伝えしましたが、日常生活で利用する 電気製品は交流 100V のものです。ところが、太陽電池が発電するの あります） それでは、太陽光パネルを 1 枚 1 枚なんて面倒なことを考えず、懐 は直流でしかも 12V を標準としています。12V で使える製品というと、 具合にも余裕があるのでというなら、一気にこの系統連系型太陽光発 カー用品に限定される面があります。ですので、インバーターを用い 電システムを導入しようとした場合、揃える物品は何が必要なので て交流 100V に昇圧して、電気製品を利用することになります。 しょうか？ 電力量計（逆転防止機能付き） （本書は、必ずしも金銭的な意味からではなく、楽しみながら太陽 電力会社は、各家庭に取り付けた電力量計を毎月検針し、各月あた 光発電を試みようとするものなのですが……。また自分で作った発電 りの使用電力量を調べ電気料金を請求してきます。この電力量計は、 システムをプラスするときのためにも知っておきたいものです） 電力会社から買った電力量を示すものなので、これに太陽光発電シス テムを接続することはできません。したがって、太陽光発電システム 系統連系型太陽光発電システムで揃えるもの によって、電力会社に売った電力量がわかるように、もう 1 台、電力 もちろん太陽電池パネルは必要ですが、３kW システムでその他に 量計を設置する必要があります。この 2 台の電力量計を差し引きする 揃える必要なものを整理してみます。 と、今月は、売った方が多いとか、買った方が多いということがわか ります。 太陽電池パネル 何枚かの太陽電池パネルを組み合わせたものをアレイといいます。 売電するためには、オール電化にする必要がありますが、この頃で 屋根の上には複数枚の太陽電池パネルを設置しますので、あらかじめ、 は、カタログデータ上では、確実に売電できる系統連携型太陽光発電 数枚を組み合わせておくというのは、設置を行う作業をするうえで便 システムが市販されていますので、試してみるといいと考えます。 利ですし、またメンテナンスを行う場合にも便利なわけです。１アレ イでは、200V 前後の直流電圧を発電します。 接続箱 屋根の上にはたくさんの太陽電池パネルが設置されますので、プ ラスの電線、マイナスの電線を、きちんと接続する必要があります。 ショートして感電したり火事になったりしないように注意しないとい けません。そのために活躍するのが接続箱です。ただ、プラスの電線 とマイナスの電線をそれぞれ束ねているだけですので、接続箱が使用 されない場合もあります。その場合は、プラスの電線、マイナスの電 線をうまく接続しておく必要があります。 ▶▶▶ 082 ▶▶▶ ▶▶▶ 083 ▶▶▶ 太陽光発電余剰電力買取制度 2011 年度設置の場合、自宅で使用する電力よりも太陽光発電シス テムが多くの発電をした場合、1kWh あたり 42 円程度で電力会社の 電気を買い取ってもらえる制度があります。経産省の資源エネルギー 庁再生可能エネルギー推進室に連絡すると、この制度が利用できるよ うになります。（経済産業省：http://www.meti.go.jp/） 系統型太陽光発電システムを取り付けるには、インターネットで、 みなさまの最寄の地域で積極的に活動している業者を選択すれば、簡 単に設置をしてもらえます。また、そのような業者の場合、お取付お 得プランなども持っていたり、助成金の制度についても相談してみる 価値があります。 なお、このとき、必ず、蓄電システムについても導入を考えておく 方が妥当です。この場合、一般的な蓄電システムも、対象にはなりま すが、いよいよ蓄電池を別に１つのユニットとして考える時代から、 電気自動車そのものを、蓄電池であると考える方向へと、時代が動い ています。 自宅の駐車場に電気自動車を保護するように屋根を設置し、その屋 根に系統型太陽光発電システムを設置し、ご家庭の分電盤に、そのシ ステムを接続すると同時に、電気自動車に蓄電できるようにしておく と、電気自動車の側からは充電ですが、ご家庭の電気システムの側か らは蓄電を行っているということになるわけです。 さらに、電気自動車から電気を家庭電源として流すシステムも実用 化に入ってきています。 ▶▶▶ 084 ▶▶▶ 第 5章 太陽電池だって 手作りして楽しもう！ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 5-1 手作り太陽電池、 それが色素増感太陽電池 まったく初めて色素増感太陽電池について知ったという方の場合 は、①から始めるといいでしょう。③が一番難しいと思います。⑤は 材料費が最先端材料になるため、かなり高額になります。④はある意 味では色素増感太陽電池のマニアクラスです。 太陽電池までも手作りできる！ 本章でご紹介する「色素増感太陽電池」は〜 これまでにみてきたように、太陽電池といえば購入してきて、それ をどう取り付けて利用するかがポイントでしたが、実は太陽電池にも 現在どの程度、研究・開発が進められているのか 手作りができるタイプのものがあります。その名は、ズバリ！色素増 産業用としてはどの程度の能力（電力）を発揮しているのか 感太陽電池といいます。 それでは、色素増感太陽電池の発電の原理はどうなっているの？と 原理から攻めたい方と、原理はとりあえずおいておいて、まずは作っ てみよう！という方とおられると思います。どちらのみなさんにも同 時に満足をしていただくのは難しいので、本書では先に作り方を説明 して、まずは成功体験を体感していただいてから、理論について解説 していきたいと思います。 さて、色素増感太陽電池の作製方法は多岐に及びます。どんなこと ができる色素増感太陽電池をゴールにするのかによっても作り方も異 なります。 以上の理由で、以下に示すような流れで進めたいと思います。 ① 色素増感太陽電池を作って電子メロディーを鳴らしたり、電卓を 使おう ② 色素増感太陽電池の発電原理 ③ 色素増感太陽電池搭載型模型自動車を作ろう ④ 電気伝導性ガラスの手作り ⑤ フィルムでできる色素増感太陽電池 ▶▶▶ 086 ▶▶▶ ▶▶▶ 087 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 5-2 色素増感太陽電池には、 どんな身近な材料が使えるのか 電気伝導性ガラス 2cm × 2cm を 8 枚 準 備 し ま す。30 ㎝× 35㎝の大きなサイズのガラス（約 7000 円）を購入してガラス切りで切り どんな材料を用意するか 「太陽電池を手作りできる！」 この一言だけでトキメイテいる方もおられるでしょう。そうなんで す。なんと、みなさん自身で太陽電池が手作りできるんです。 分けると安価です。自分で大きなサイ ズの電気伝導性ガラスを購入される場 合は、SnO（酸化スズ）膜がついたガ ラスを購入して下さい。 まず、最初に実験材料を集めましょう。なお、1 つずつ実験材料を 電気伝導性ガラスは、液晶テレビやタッチパネルに活用されていま 集めるのが大変だと思う方は、理科教材のメーカーから実験キットが す。それらの電気伝導性ガラスの場合は、ITO 膜のもので、電気を通 市販されていますので、それで実験してもオーケーです。著者が、監 す性能はとても優れています。しかし、色素増感太陽電池を作製する 修しているキットも市販されています。 場合には、二酸化チタンを約 500℃付近で焼き付けますので、ITO 膜 などは傷んでしまいます。しかし、それでも利用できますので、壊れ ■実験材料 た液晶テレビなどの画面のガラスもリサイクルして使ってみましょう。 電気伝導性ガラス 色素増感太陽電池に用いる電気伝導性ガラスとしては、高温で熱して 二酸化チタン（アナターゼ型） も耐久性のある SnO 膜の方が適しているといえます。 二酸化チタン入りの歯磨きペースト なお 5 章 4 節で、普通のガラスの表面に SnO 膜を焼結して、電気伝 植物色素（ポリフェノール系、たとえばハイビスカス、紫キャベ 導性ガラスを作る方法を紹介していますので、そちらも参照してくだ ツ、お茶など） さい。 黒鉛（鉛筆の芯） 電気伝導性バインダークリップ（銀クリップ） 二酸化チタンペースト 非電気伝導性バインダークリップ（黒クリップ） 二酸化チタンペーストは、市販のものを購入するのが望ましいです。 ヨウ素電解液（ヨウ素入りうがい薬） たとえば、SP － 210 などが市販されています。特に 5 章 3 節で作製す カセットコンロ（または 500℃まで温度があがるホットプレー る模型自動車を動かしたい場合は、ぜひ、これを購入して下さい。 ト）、ガラス切り、フライパン、アルミホイル、電子メロディー、 しかし、二酸化チタンペーストも手作りしたいという方もおられる 電卓、テスター、小皿、お湯 と思います。そこで、二酸化チタンは、アナターゼ型をインターネット もう少し詳しく材料について述べます。 で購入下さい。100g で 1000 円程度です。これを、ポリエチレングリコー ▶▶▶ 088 ▶▶▶ ▶▶▶ 089 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう ルで練って二酸化チタンペーストにするのですが、なんと、歯磨きペー 植物色素 ストでうまくいきます。 歯磨きペーストは、箱の裏側の成分表を見て下さい。二酸化チタン 植物色素は、目に良いといわれるポリフェノール系のものがいいで とポリエチレングリコール（peg とも書かれている）の両方が入った歯 す。これまでに、紫キャベツ、ブルベリー、緑茶、コーヒー、ハイビ 磨きペーストが何種類も市販されていますので、これを使って下さい。 スカスの花の色素、コスモスの花の色素などで成功しています。 酸化チタン粉末 1g に歯磨きペースト 3g を混ぜるとうまくいきます。 このなかでも一番のおすすめは、どの季節ででも入手できて、しか 粉こなしている場合には、歯磨きペーストを 4g にしてもいいです。小 もよく発電し、見た目が綺麗なのがハイビスカスの花を乾燥させたハ 皿を利用して、丁寧にまぜましょう。 イビスカスティーを用いた場合です。とても素敵な紫色に染まります。 図 4-4．ハイビスカスの花 図 4-2．二酸化チタン粉末（アナターゼ型） 図 4-3．歯磨きペースト 図 4-3．紫色に染まった状態 なお、色素の抽出にはやや高温のお湯を使いましょう。その方が、しっ かりと、色素がでるのと、染色の際にも速くしかもよく染まります。 色素増感太陽電池があまり高性能でなくても、電子メロディーは鳴 りますので、ネット販売のアナターゼ型の二酸化チタンの粉末と歯磨 黒鉛 きペーストでよかったのですが、模型自動車（モータを回すもの）は 黒鉛と書きましたが、身近なもので、炭素を多く含んでいるものと 相当の電力が必要なため、 SP － 210 をお勧めしています。しかし高額で、 いえば、鉛筆の芯です。炭素が多く含まれるという意味では 6B や 4B 100g あたり 6 万円～ 7 万円します。その意味では、この二酸化チタンペー などが適しているといえます。6B や 4B が入手しにくいときは 2B でも ストを用いる場合には、ぜひ、色素増感太陽電池セルをたくさん作って、 大丈夫です。 単価を下げるようにして下さい。 ▶▶▶ 090 ▶▶▶ ▶▶▶ 091 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう ウ素入りうがい薬でトライしたところ、電子メロディーがきちんと鳴 電気伝導性バインダリークリップ （銀クリップと略す） 8個 りました。ヨウ素入りうがい薬だと、大き目のワンボトルを購入いた 電気伝導性のバインダークリップって、実は、未塗装のバインダー だいても 700 円程度なので、すごく安価に色素増感太陽電池が作れる クリップのことです。よく学校で使われるミノムシクリップを使うと、 ことになったわけです。 1 本で 80 円以上します。必要とするのは、4 本だけで済みますが、バ インダークリップが 1 個 8 円程度ですので、これと比較すると、かな カセットコンロ、またはホットプレート りお手頃ですね。ちなみに、電気伝導性クリップで、色素増感太陽電 二酸化チタンの焼き付けに約 500℃の温度が必要なので、その程度に 池をつなぎ始めたのは、著者が一番最初の発案者です。 まで温度が上がるホットプレートがあると望ましいです。4 万円後半か ら 6 万円程度まで市販されています。ホットプレートの場合は、プレー 非電気伝導性バインダリークリップ （黒クリップと略す） 8個 こちらは、逆によく目にする黒いバインダークリップで、未塗装の バインダークリップに塗装がされていて、その結果、電気が通らない トにガラスを直接おいて焼きます。 ホットプレートが無い場合は、ガスコンロやカセットコンロを用い ましょう。次に示すフライパンをご利用ください。 クリップになっています。色素増感太陽電池をされている多くの場合、 いわゆる目玉クリップを使っている場合が多いと思いますが、 （2）の フライパン・アルミホイル 課題の模型自動車を作るときには、どうしても非電気伝導性バインダー 8 番のホットプレートだと温度のコントローラーが着いていて何度か クリップが必要ですので、ぜひ、準備をしておいて下さい。 （2）で驚 がわかるのでいいですが、カセットコンロやあるいはガスコンロでフ きの使い方をしますが、これも世界で著者が一番最初に発案した方法 ライパンの上で、電気伝導性ガラスに二酸化チタンを焼き付ける場合、 です。 温度がふらつきやすいので注意が必要です。 なお、1 つ面白いうんちく話があります。問題です！未塗装のクリッ ガラスの温度が急激に変化して割れたりするのを防止するのに、フ プと塗装済のクリップ、どちらが高額でしょうか？塗装する分だけ工 ライパンにアルミ箔を 3 重程度に重ねて敷いて下さい。その上で焼き 程が増えるので、塗装済のクリップの方が高くなりそうなものですが、 付けを行うと安心です。 逆に、1 個あたり 5 円程度と安いのです。その理由は、流通の量が圧倒 的に塗装済の方が多いからです。 電子メロディー 電子メロディーは、100 円ショップの電子メロディーカード（ハッピー ヨウ素電解液 バースディやクリスマスソングなど）から、取り出すと安価です。理 ヨウ素電解液も、色素増感太陽電池用に市販品されているものを購 科の教材屋さんで購入すると 400 円近くします。また、下の図のように、 入すると、100mL で 1 万数千円します。ヨウ素電解液の価格も、色素 メロディー IC と電子ブザーを組み合わせると数十円でできます。 増感太陽電池を手作りすることのネックになっていました。しかし、ヨ ▶▶▶ 092 ▶▶▶ ▶▶▶ 093 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう テスター テスターは、色素増感太陽電池がうまく作動しない場合に、どのセ ルに問題があるのかを、1 セルずつ開放電圧をチェックするのに用いま す。色素増感太陽電池に限らず、太陽電池では、途中につないでいる 1 セルでも発電していない場合、そのセルは発電しないので関わりがゼ ロかというと、そうではなく、逆に抵抗になるのでマイナスになって しまいます。ですので、このチェックは大事です。 また、すべてのセルに問題がないとわかれば、こんどはセルのつな ぎ方に問題がないかテスターで調べます。こうすることで問題の場所 を特定し、修復することができます。 電卓 テスターは 1000 円前後で買えます。 色素増感太陽電池の実用性を感じたい場合は、ぜひ、100 円ショップ などの電卓を利用してみてください。アモルファスシリコンの太陽電 以上で、実験材料はすべて揃いました。 池が入っていますので、その太陽電池を取り除いて、色素増感太陽電 池をつけて下さい。 著者は、B5 サイズの大型電卓 で、 実 験 演 示 を や っ て い ま す。 この程度であれば、色素増感太 陽電池で十分に活用できます。 ▶▶▶ 094 ▶▶▶ ▶▶▶ 095 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 5-3 焼きつけ完了の目処について説明します。 さっそく色素増感太陽電池を 作ってみよう 二酸化チタン膜は、焼きつける前は、白色です（A）。焼き始め ると焦げて黒くなります（B）。これはペーストなどに含まれる炭 素が炭化したためです。これを 500 度程度で焼き続けると、いっ たん炭化した炭素が、空気中の酸素と結合して二酸化炭素になり ①テスターを使って、電気伝導性ガラスの導電面を調べます。鉛筆 空気中に抜けていきます。このため、二酸化チタン膜は、黒褐色 でその面の端に印をつけてもいいです。 から、再び、二酸化チタンの白色へと変化します（C）。 A）焼き付け前 B）焼き付け中 テスターがない場合には、この実験で使う電子メロディーを利 用しましょう。乾電池の一方を電気伝導性ガラス面に、もう一方 を電子メロディーにつなぎ、電子メロディーの他方の導線を、ガ ラス面につけると、導電性のある面の場合は、電子メロディが鳴 りますので、どちらの面が電気を通すかがわかります。 ②図のように、ガラスの端を 2mm 程度残して、ペースト状になった 二酸化チタンを塗ります。 C）焼き付け後 ③カセットコンロやホットプレートなどを利用して約 500 度の高温 で、ペースト状の二酸化チタンを電気伝導性ガラスの上に焼き付 なお、焼いた電気伝導性ガラスは、急に冷やすと割れるので、時間 をかけて冷やすようにしましょう。また、やけどに注意しましょう。 けます。 ▶▶▶ 096 ▶▶▶ ▶▶▶ 097 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう ④電気伝導性ガラスを冷やして待っている間に、染色液を作りましょ ⑦二酸化チタンと黒鉛をコーティングした面が向かいあわせ、ガラ ス板どうしを 2mm 残した部分を両側にそれぞれはみ出るように重 う。 小皿に 80℃程度の湯を入れ、その湯に植物を浸して色素を抽出 します。5 分程度でも、十分に濃い染色液ができます。この液に 二酸化チタンを焼き付けた電気伝導性ガラスを浸して染色します。 ねます。 そして 2 枚の電気伝導性ガラスを黒クリップではさみ固定しま す。これで、1 セルの完成です。 30 分程度で、赤紫色に染まります。1 時間も染色を続けると、十 分に濃く染まります。これでも十分ですが、ひと晩中染色すれば、 なお完璧です。 ⑤染色液で二酸化チタン膜染色している間に、もう 1 枚の電気伝導 性ガラスに、鉛筆の芯などで炭素をコーティングします。 この場合も、一方の端を約 2mm 程度残しておきます。 続けて、完成したセルを、4 セルつないで 1 バッテリーとしましょ う。 ⑧ 2mm 残した部分に、銀クリップをはさみ電極とします。 ⑨ 2 つのセルを直列接続します。 ⑩続けて、1 セルを接続して 3 セルを直列につなぎ、さらにもう 1 セ ル加えて 4 セルを直列につなぎ、1 バッテリーとします。 ⑪このバッテリーに、電子メロディーをつなぎ、明かりを照射します。 ⑫電子メロディーが鳴ることが確認できたら、電卓に利用できるか ⑥鉛筆で炭素をコーティングした面にヨウ素電解液を 2、3 滴たらし どうかも確かめてみましょう。 ます。 ▶▶▶ 098 ▶▶▶ ▶▶▶ 099 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 5-4 色素増感太陽電池とは 新しい太陽電池……色素増感太陽電池 色素増感太陽電池は、スイスのグレッツェルらによって開発されま した。このタイプの太陽電池は、太陽の光からエネルギーを取り出す 植物の光合成に似ているので、光合成型太陽電池ともよばれています。 主原料は、前節でみたように、電気伝導性透明ガラス電極、二酸化チ タン、有機色素、ヨウ素溶液です。 二酸化チタンは、化粧品や白色顔料にも使われています。太陽の光 を吸収する色素には、アメリカンチェリー、紫キャベツ、ハイビスカ スなどの天然色素を使います。その他、ヨウ素溶液はうがい薬に利用 されています。 手作り電子メロディーでの発電実験 この太陽電池は、これらの材料を用いて、安価でしかも特別な装置 を使うことなく簡単に作ることができ、環境への悪影響が少ないのが 特徴です。 色素増感太陽電池の発電原理 色素増感太陽電池の発電の原理について解説します。 次ページの図に見るように、マイナス極には、電気伝導性ガラスに 100 円ショップのメロディーカードから 二酸化チタンを焼結した物を使います。プラス極には、電気伝導性ガ 取り外した電子メロディーでの発電実験 ラスに黒鉛か白金をコーティングした物を使います。この両極の間に 電解液をみたします。電解液には、ヨウ素／ヨウ化物の混合溶液を使 これで、どの程度の起電力があるのか？ ▶▶▶ 100 ▶▶▶ います。 ▶▶▶ 101 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう から流れてきた電子を受け取り、再びヨウ化物イオンへと還元されま す。この電子の流れを繰り返すことによって、全体として電池の働き をします。 このことから、色素増感太陽電池では、マイナス極に焼結する二酸 化チタンを、軽石のように穴がたくさん空いた多孔質な状態にして、二 酸化チタンの表面積を大きくし、少しでも多くの色素を吸着させるこ とが重要です。そうすれば、発電量を多くすることが可能となります。 ところで、グレッツェルらが色素増感太陽電池に用いる色素は、彼 らが開発したルテニウム（Ru）色素です。この Ru 色素は広い光吸収 帯をもっています。さらに、二酸化チタンに化学的に強くつくので、電 子の移動が効率的です。しかし、ルテニウムは猛毒なので取扱いに厳 重な管理が必要です。 太陽光からのエネルギーの多くは可視光線の領域です。しかし、二 そこで本書では、アントシアニン系の植物色素を用いています。具 酸化チタンは、紫外線域は吸収するものの、400nm 以上の光を吸収で 体的には前述しましたように、ハイビスカスやムラサキキャベツ、ブ きないため、可視光線の領域の光はあまり吸収しません。そこで、太 ルーベリーなどです。これらの色素は濃い紫色です。フェノール性化 陽光をうまく吸収し、発電に活用できるようにするために、増感色素 合物であるアントシアニンは、可視光をよく吸収するとともに、金属 の助けを借りています。 とは錯体を形成するため二酸化チタンと強く結びつき、増感色素とし 二酸化チタンの表面を多孔質にすることで表面積を 1000 倍以上に大 て適しています。 きくし、その表面に増感色素を吸着させ、この色素の部分で、光エネ ルギーをもった光子が色素を励起させ、電子を放出させます。放出さ 色素増感太陽電池の活躍 れた電子は、二酸化チタンの伝導帯にすばやく注入され、二酸化チタ 色素増感太陽電池は、湿式の電池でヨウ素電解液が乾くと使えなく ンを通って、マイナス電極から回路に流れ出します。この電子は、外 なるので、屋内での使用が考えられ、屋内用の太陽電池に代われない 部の負荷を通って、プラス極に流れ込みます。 かと考えられています。 一方、電子を放出することによって酸化された増感色素は、電解液 電卓や腕時計などは、あまりたくさんの電気を使いません。現在は、 中のヨウ化物イオンから電子を受け取り、基底状態の色素に戻ります。 シリコン型小型太陽電池が使われていますが、価格の面や環境への配 このときヨウ化物イオンは色素に電子を受け渡しますので、酸化され 慮を考えると、より安価で環境負荷の低い色素増感太陽電池の利用が て三ヨウ化物イオンとなります。そして三ヨウ化物イオンはプラス極 考えられています。実際、この太陽電池で電卓も作動します。 ▶▶▶ 102 ▶▶▶ ▶▶▶ 103 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 一方、屋外発電用電池としての利用も考えられています。 アモルファスシリコン太陽電池の利用は、地球環境問題に意識の高 い人たちの間で広がりつつありますが、価格的にまだまだ高価である 5-5 色素増感太陽電池搭載型模型自動車 を太陽光のもとで動かしてみよう ため十分には広がっていないことや、その他にも、原料のシリコンの 不足が心配されています。 また、シリコン系の太陽電池は、寿命がきたのちに、その中に含ま れる有毒元素のために、新たな大量産業廃棄物になるのではと懸念さ 色素増感太陽電池の基本的な構造は、先の電子メロディーを鳴らす 実験で用いたものと同じです。 れ、環境問題となることが心配されています。しかし色素増感太陽電 池は、使う材料も安価で豊富な資源を用いています。二酸化チタンは 安価で安全で豊富な材料です。 実用化に向けては、天然色素よりも効率よく太陽の光を電気エネル ギーに変換する新色素の研究開発が課題となっています。また、ヨウ 素電解液が乾燥しないような封しの技術の向上が必要です。 しかし、色素増感太陽電池は、高価な精密装置による生産設備がな くても作れますから、人里離れたへき地での製造も可能で、へき地で の電源としての可能性が大きいです。また、開発途上国での生産も期 待できます。 このように色素増感太陽電池は、応用分野が広く、注目を集めてい ます。しかしまだまだ研究されなければならない問題点も見えました 色素増感太陽電池の製作 ね。長い期間にわたって安定して使えたり、もっと効率よく発電をさ 次の材料を用いて作製します。 せたりという課題などがあり、これらを解決しないと、実際に安心し て利用することはできません。 それでも、現在の環境問題やエネルギー問題という大変重要な問題 電気伝導性ガラス 2 枚（4cm × 3cm） 二酸化チタンペースト（SP － 210） を考えると、これらの問題解決の方法として、また 21 世紀、人と自然 植物色素（紫キャベツ、ハイビスカス、ブルベリー、緑茶など） との共生という観点からも、色素増感太陽電池は大変重要な技術だと 黒鉛（鉛筆の芯など） いえます。 その他には、クリップ 2 個、ヨウ素液、カセットコンロ、金網、小皿、 やはり能力の可能性を知りたい ▶▶▶ 104 ▶▶▶ 電子メロディー、模型自動車、テスター、以上です。 ▶▶▶ 105 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう これらを用いて、次の順に作製します。 ⑦炭素を塗った側が＋極、色素で染めた側が－極となります。－極 側の面から光を当てると、光エネルギーが電気エネルギーに変換 ①テスターを使って、電気伝導性ガラスの導電面を調べ、その面に されます。 ペースト状になった二酸化チタンを塗ります。二酸化チタンは、6 枚塗って下さい。 これで、色素増感太陽電池搭載型模型自動車用の色素増感太陽電池 の作り方はオーケーです。 ②カセットコンロを利用して、ペースト状の二酸化チタンを電気伝 導性ガラスの上に焼き付けます。なお焼いた電気伝導性ガラスは、 模型自動車の製作 急に冷やすと割れるので、時間をかけて冷やして下さい。また、 次に、模型自動車の作り方で やけどに注意して下さい。 す。 ③小皿に 60℃程度の湯を入れ、その湯に植物を浸して色素を抽出し ①図のサイズに、プラスチック ます。この液に二酸化チタンを焼き付けた電気伝導性ガラスを浸 段ボールを切ります。プラス して染色します。先の電子メロディーを鳴らすときよりも、長い チック段ボールの場合、車輪 時間染色する方がいいです。とても時間がないときには 30 分ぐら を取り付けるための車軸を、 い染色しましょう。赤紫色に染まれば染色完了です。可能な場合は、 プラスチック段ボールの穴 ひと晩染色しましょう。 を活用することができ便利で す。 ④対極にするもう 1 枚の電気伝導性ガラスには、鉛筆の芯などで炭 素をコーティングします。6 枚作ります。 ②図のように、車体の中央部を くりぬきます。その理由は、 ⑤炭素を塗布した側の電気伝導性ガラスに、ヨウ素電解液を 1、2 滴 太陽光で走らせる場合に、少 しでも車体を軽量化したいか たらします。 らです。一方、実験を行った ⑥二酸化チタンと黒鉛をコーティングした面が向かいあうように重 日が雨や曇りの場合、自動車 ねます。このときにガラス板どうしを少しずらして重ねて、導線 を走らせるのに、ハロゲンラ をつなぐ部分を残しましょう。そして 2 枚の電気伝導性ガラスを ンプを用いました。そうする バインダークリップで圧着するように強くはさみ固定します。 と、プラスチックが熱で柔ら ▶▶▶ 106 ▶▶▶ ▶▶▶ 107 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう かくなり、車体のお腹を地面でするということが生じる場合があ ります。そこで、お腹を擦らないように、中央部分を台車に戻して、 車体の強度を保つ必要があるからです。 色素分解を防ぐ工夫 さて、さらに太陽光で模型自動車を走行させる場合、色素増感太陽 電池の二酸化チタンが光触媒として、染色した色素を分解してしまう ③車輪やモーターを取り付けて模型自動車の車体は完成となります。 という問題点があります。 下の 3 枚の写真は、それぞれ、染色直後、ハロゲンランプ照射のもの、 図のようなサイズに車体を作った場合、くりぬき部を外した状態で の車体のみの質量は 5.0g で、くりぬき部の質量は 2.0g でした。 この車体に車輪、車軸、ギア、モーターを取り付けて模型自動車に 組み上げます。各部品の詳細は以下の通りでした。 そして最後に太陽光照射のものです。一目瞭然ですが、ハロゲンラン プを照射したものと、太陽光を照射したものを比べると、太陽光を照 射したものでは、色素増感に用いたポリフェノール系の色素が分解さ れてしまったことがわかります。 車輪：前輪の直径 20mm、後輪の直径 45mm 車軸：長さ 83mm、直径 0.35mm ギア：直径 33mm モーター：マブチモーター社製モーター RF-330TK（500 円程度） これらの部品を組み込んだ結果、車体のくりぬき部を外した模型自動 車全体の質量は 56.5g となり、車体のくりぬき部をはめた場合は 58.5g となりました。 染色直後 ハロゲンランプ照射 太陽光照射 この実験結果を踏まえ、色素増感太陽電池搭載型模型自動車を製作 する場合には、色素増感太陽電池の受光面のセルガラスに、UV カッ トクリームを塗布する必要があることがわかります。 それでは、どのような UV カットクリームがよいでしょうか？ そこで、いくつかの UV カットクリームを塗布し、その効果を、電 子メロディーがどの程度の時間鳴り続けるかを比較することで試して みました。 ▶▶▶ 108 ▶▶▶ ▶▶▶ 109 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう UV クリームの塗布とその効果 UV カットクリーム 光源 ハロゲンライト （距離 50cm、約 15,000lux） 太陽光 （約 100,000lux） 無塗布 27 分 30 秒 無塗布 4 分 35 秒 SPF15 7 分 15 秒 SPF50、PA++ 5-6 作動時間 26 分 00 秒 手作り電気伝導性ガラスを用いた 色素増感太陽電池 電気伝導性ガラスも手作り！ 電気伝導性ガラスは、これまで、精密な実験方法あるいは工程を経 このように、SPF50、PA++ というようなレベルの UV カットクリーム て作成されてきました。たとえば、無アルカリガラスという特殊なガ を用いると、非常に長寿命になることがわかります。 ラスを使って、超音波洗浄を行ったり、エタノールで洗浄したりなど これで、色素増感太陽電池搭載型模型自動車を太陽光のもとで走ら 精密な工程を経て行われてきました。 ここでは、性能が落ちても、みなさんが手作りをしてみようと思う せることができるようになりました。 ような手軽な方法で電気伝導性ガラスが作れないかとトライしてみま 次の写真は、ひらめき☆ときめきサイエンス～ようこそ大学の研究 室へ～ KAKENHI（研究成果の社会還元・普及事業）の委託を受けて、 した。 そこでまず、使用するガラスを無アルカリガラスから、一般に入手 2010 年 8 月 25 日に行ったときの走行実験の風景です。ぜひ、みなさ しやすいガラスに替えてみました。具体的には、100 円ショップなど んも、色素増感太陽電池搭載型模型自動車を作って、太陽光のもとで で市販されているガラス製のフォトフレームなどについているガラス 走らせてみて下さい。 を利用しました。また塩化スズでは、溶解させるのに 48 時間の撹拌 が行われてきましたが、撹拌時間を 1 時間に短縮してみました。結果、 電気伝導性ガラスを手作りすることに成功することができ、色素増感 太陽電池を組み立てて発電を確認することができました。 手作り電気伝導性ガラス作製の材料 電気伝導性ガラスを手作りするのに用いた材料は次の通りです。 エタノール（C2H6O 純度 99.5%） 塩化スズ（II）（SnCl2 純度 99.9%） スターラー 100 円ショップのフォトフレームのガラス ▶▶▶ 110 ▶▶▶ （12.7cm × 17.8cm × 1.5mm） ▶▶▶ 111 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう ガラスカッター アトマイザーでスプレー際に、4 枚までは均等にスプレーできま キムワイプ す。そこで、右側の 4 枚と左側の 4 牧に 1 回ずつ合計 2 回スプレー ホットプレート（最大設定温度 550℃） します。つまりスプレー 2 回が 1 セットとなると考えて下さい。 100 円ショップのアトマイザー（香水スプレー） これを 100 セット繰り返します。一度スプレーを行うとガラスの 温度が下がります。ですので、ガラスの温度が再び上がるまで、 5 秒待ってから次のスプレーを行います。 スプレー法を用いた簡便な作り方 ① 塩 化 ス ズ の 溶 液 の 濃 度 が 0.158mol/L と な る よ う、 エ タ ノ ー ル 100mL に塩化スズ 3g を溶かし、スターラーで 1 時間撹拌します。 ②ガラスを 2cm × 2cm のサイズに切りエタノールできれい拭きます。 図 2 スプレー法の様子 ③ホットプレートに、図 1 のように、2 のガラスを 2 行× 4 列で並べ、 ホットプレートの温度を 550℃に設定し 10 分間、熱を入れます。 手作り電気伝導性ガラスを用いた色素増感太陽電池の実験 図 1 ガラスの並べ方 この電気伝導性ガラスを使って、色素増感太陽電池を作って発電確 認実験を行ったところ、蛍光灯のもとでも LED 電球のもとでも、電 子メロディーが十分に鳴りました。 LED 電球を光源として光を照射し、色素増感太陽電池による発電 状態を調べた結果を表 1 に示します。 表 1 ④ ①の溶液をアトマイザーに入れます。 手作り電気伝導性 ガラスの場合 市販の電気伝導 性ガラスの場合 変換効率〔%〕 開放電圧〔V〕 短絡電流〔× 10-3A〕 0.017 0.44 0.39 0.011 0.48 0.23 ⑤図 2 のように 3 のガラスに④の塩化スズ溶液をスプレーします。 ▶▶▶ 112 ▶▶▶ ▶▶▶ 113 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 二酸化チタンの焼きつけ方は、電気伝導性ガラスのときとは大きく 5-7 異なります。これまで、二酸化チタンを多孔質にして、色素を吸着さ フィルムでできる色素増感太陽電池 せる表面積を大きくすることを考えてきました。二酸化チタンの燃結 温度は 400℃以上で、電気伝導性ガラスの場合、この温度に耐えられる ためそのまま焼き付けができました。しかし電気伝導性フィルムの場 電気伝導性ガラスを用いた色素増感太陽電池との違い 合は、溶けてしまいます。そこで、IH クッキングヒータやホットプレー 電気伝導性フィルムを使った色素増感太陽電池は、電気伝導性ガラ トを使って 150℃で焼き付けを行いましたが、温度が低いので十分な焼 スを用いたものと比べると作り方が異なります。 結とはなりません。このため、電気伝導性ガラスの場合よりも性能が 落ちることは予想されます。 マイナス極の作り方 色素の吸着方法も難しくなります。 電気伝導性ガラスは、ガラスカッターを使って適切なサイズに切り 電気伝導性ガラスの場合は、染色液の中に浸す方法でした。しかし 分けます。しかし電気伝導性フィルムは、プラスチックの薄い素材なの 電気伝導性フィルムでは、二酸化チタンの燃結が不完全なため染色液 で、はさみを使用して切り分けることができ、また、ハートの形にやミッ に浸すと、二酸化チタンの膜がひび割れたりめくれあがったりしてし キーちゃん（キャラクター）の形にも、 自由な形に切ることができます。 これは、ある意味ではメリットともいえます。 自由っぽくない ハサミで切ってい る様子のほうがい いのでは？ まいます。 なので、「浸す」方法ではなく「滴下して吸い取る」方法にします。 このとき、滴下してから吸い取るまでの時間は約 2 分が限界で、吸い 取るまでにこれ以上の時間がかかると、浸す場合と同じ現象が現われ はじめてしまいます。 プラス極の作り方 フィルムに、鉛筆から黒鉛を塗るのは同じですが、セロハンテープ で堤防を作って、ヨウ素電解液が十分にある状態にしています。 ▶▶▶ 114 ▶▶▶ ▶▶▶ 115 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう ②テスターや第 4 章（1）で紹介した方法を使って、電気伝導性フィ 電気伝導性ガラスを用いた色素増感太陽電池の製作 ルムの導電面を調べます。鉛筆でその面の端に印をつけてもいい です。 ■材料 電気伝導性 ITO フィルム、 二酸化チタン（アナターゼ型、SP210 などが望ましい）、 ③フィルムの端を 2mm 程度残して、ペースト状の二酸化チタンを塗 ります。 植物色素（ポリフェノール系、たとえば、ハイビスカス、紫キャベツ、 お茶など）、 黒鉛、 電気伝導性バインダークリップ、 非電気伝導性バインダークリップ、 ヨウ素電解液、 はさみ、ピペット、ホットプレート、フライパン、アルミホイル、 電子メロディー、電卓、テスター、小皿、お湯 ④ホットプレートなどを利用して約 150 度の温度で約 10 分、ペース ■製作 ト状の二酸化チタンを電気伝導性フィルムの上に焼き付けます。 ①電気伝導性フィルムを 2㎝× 2㎝に切り、これを 8 枚準備します。 ⑤電気伝導性フィルムを冷やして待っている間に、染色液を作りま す。小皿に 80℃程度の湯水を入れ、その湯水に植物を浸して色素 を抽出します。5 分程度でも、十分に濃い染色液ができます。 ⑥二酸化チタン膜の染色を行います。これまでは、電気伝導性ガラ スを用いていたので、染色液にそのまま浸けることができました が、電気伝導性フィルムでは、そのまま浸けると二酸化チタンの 膜が崩れてしまいます。これを避けるために、ピペットを用いて 二酸化チタンの膜の表面に染色液を滴下させ、2 分間染色を行いま す。2 分後に、二酸化チタンの膜を傷つけないように、ティッシュ やキムワイプなどの吸水性の高いもので丁寧に表面の染色溶液を ▶▶▶ 116 ▶▶▶ ▶▶▶ 117 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 端を約 2mm 程度残しておきます。 吸収させぬぐいとります。 ⑦もう 1 枚の電気伝導性フィルムに、 セロハンテープを細長く切って、 フィルムの 3 辺に、2mm 程度の幅のスペーサーを堤防のように作 ります。電気伝導性フィルムどうしが、接触すると、電極がショー ⑨ 鉛筆で炭素をコーティングした面にヨウ素電解液を 5、6 滴たらし ます。 トすることになるのでこれを防ぐためと、あとでヨウ素電解液を 両極間にためるので、スペーサーで作った堤防が高くなるように、 セロハンテープを 2 枚重ねにします。3 辺にしたのは、電解液を入 れたとき、両極間に気泡が入った場合に、気泡を追い出すためです。 ⑩二酸化チタンと黒鉛をコーティングした面が向かいあわせ、フィ ルムどうしを 2mm 残した部分を両側にそれぞれはみ出るように重 ねます。そして 2 枚の電気伝導性フィルムを黒クリップではさみ ⑧ 鉛筆の芯などで炭素をコーティングします。この場合も、一方の ▶▶▶ 118 ▶▶▶ 固定します。これで、1 セルの完成です。 ▶▶▶ 119 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 5-8 カラフルな色素増感太陽電池 色素増感太陽電池では酸性で染色するほうがいい性能となる 色素増感太陽電池といえば、ネットなどではカラフルなものや調度 品のように細かく細工されたものが紹介されていて、魅了されている 方も多いのではと思います。 カラフルなものの場合は、高価な色素であったり、危険な薬品であっ たりする場合がありますので、本書では、安全・安心にそのようなお 楽しみができる方法を紹介します。 ⑪ 4 セルを直列にして、電子メロディーをつなぎ、1 バッテリーとし まず、完成作品をみてみて下さい。 ます。 光源から光を照射すると、電子メロディーが鳴り発電が確 認できます。 酸性 中性 塩基性 ▶▶▶ 120 ▶▶▶ ▶▶▶ 121 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう いかがでしょうか？ きれいに色が変わっていますね。 色素増感太陽電池では酸性で染色するほうがいい性能となることが 知られていますが、色素増感太陽電池で色を楽しむため、あえて、酸性・ とだと思って下さい。 液の色 中性・塩基性と試してみました。塩基性とはいわゆるアルカリ性のこ さて、ハイビスカスで染めたのでしょうか？ ハイビスカスの溶液を、酸性、中性、アルカリ性としてみますと、 あまり発色がよくありません。そこで化学のおもしろ実験でよく使わ れる「紫キャベツ」を用いてみました。すると、前ページに示した写 真のようにカラフルに染めることができました。 具体的には、色素増感太陽電池の染色液に使うのではあるのです pH 1 2 3 4 5 6 7 濃度 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 ← ← 酸性 ← ← ← 中性 pH 8 9 10 11 12 13 濃度 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 → → → 塩基性 → → が、できるだけ身近なもので酸性・塩基性にするため、紫キャベツの 液に、酢酸を加えて酸性（ほぼ pH2）にし、重層を加えて塩基性（ほ ぼ pH12）にしました。写真は、二酸化チタンを染色したあとのものを、 酸性・中性・塩基性の順に並べたものです。 ちなみに右の写真は紫キャベツに塩酸を加え酸性に、水酸化ナトリ 液の色 紫キャベツでpHを知る ウムを加え塩基性にし、pH メーターで計測しながらデジカメで撮影し た写真です。これで、酸・アルカリ実験の pH の値を知ることができま すので、ぜひ、活用してください。 ▶▶▶ 122 ▶▶▶ ▶▶▶ 123 ▶▶▶ 第 5 章 太陽電池だって手作りして楽しもう 染色液の色と二酸化チタンの染色後を比べると、少し色が塩基性の のハロゲンランプのもとでは、電子メロディーが鳴りました。また、酸 方に移行したような色に染まっています。ハイビスカスの花の色素で 性の場合と中性の場合、40W の白熱電球相当の明るさの LED ランプで 染めた場合は、紫キャベツの液を酸性にして染めた場合と同じような も電子メロディーが鳴るのが確認できました。ただし、塩基性にした 色に染まることから、ハイビスカスの花の液は酸性であることが確認 ものでは、鳴っていると言い切ってよいのかどうか判別ができない程 できますね。 度の音が鳴りました。 実際に、ハイビスカスティーを飲んでみると結構、すっぱいので味 の面からも確認できます。ちょうど紅茶にレモンを入れて飲むとすっ きりとしますが、そのような味です。 このことから、紫キャベツで色素増感太陽電池の実験をしていると きには、性能がハイビスカスに勝てなかったのですが、紫キャベツに 酢酸を加えることで、ハイビスカスに並ぶということがわかりました。 性能の違い──酸性のとき・中性のとき・塩基性のとき さて、写真の列の順に、セルを 4 個直列に組んで 1 バッテリーとし たものの開放電圧と短絡電流を測定しました。 開放電圧 短絡電流 酸性のとき 1.70V 192.7 μ A 中性のとき 1.67V 94.7 μ A 塩基性のとき 1.67V 17.7 μ A いずれの場合も、4 セル直列接続で作られた 1 バッテリーで、500W ▶▶▶ 124 ▶▶▶ ▶▶▶ 125 ▶▶▶ ▶▶▶ 126 ▶▶▶ 第 6章 太陽電池以外の 太陽エネルギーの活用法 第 6 章 太陽電池以外の太陽エネルギーの活用法 ここまで、太陽電池を用いた太陽エネルギーの活用法を紹介してき 6-1 ましたが、無尽蔵のエネルギーと呼ばれている太陽エネルギーです。太 太陽熱温水器 陽電池を用いる以外にも、いろいろな方法で有効に活用されるといい ですね。 独立型太陽光発電システムを用いて電気エネルギーを作る場合は、 系統連系型太陽光発電システムほどの大きな電気エネルギーを取り出 市販の太陽熱温水器 太陽熱温水器の場合は、市販のものもありますが、手作りもできます。 すことを目的とはしていませんでしたので、どうしても電気エネルギー ノーリツやコロナなどいろいろなメーカーから、屋根の上に設置する が十分であるとはいえない状態です。ですので、このシステムでは、 タイプのものが市販されています。 どうしても熱を発生させるタイプの仕事が苦手といわざるをえません。 たとえば、ノーリツのものの場合は、大きさが H600 × W2010 × それならば、わざわざ苦手な熱の発生を、独立型太陽光発電システム D2530（mm）で、満水時の質量が 325kg あります。集熱面積 4m² です。 にさせるよりも、太陽エネルギーをそのまま利用して、水を沸かした 有効採湯量は 210L です。税抜価格は¥230,000 です。 りなどに活用する方が効率的だといます。 このようなタイプの太陽エネルギー利用のものには、太陽熱温水器 やソーラークッカーなどがあります。 また、コロナのものの場合、大きさが H675 × W2010 × D2645（mm） で、満水時の質量が 330kg（本体の質量は 110kg）あります。集熱面積 約 4m² です。有効採湯量は 200L です。税抜価格は¥220,000 です。 ▶▶▶ 128 ▶▶▶ ▶▶▶ 129 ▶▶▶ 第６章 太陽電池以外の太陽エネルギーの活用法 ペットボトルで作る太陽熱温水器 実は、ペットボトルを用いるだけで、太陽エネルギーのすごさを体 験できます。 まず、図のように、2L 用のペットボトルに黒ペンキ を塗り、十分に乾燥させます。続いて、段ボール箱の内 側に、アルミ箔を凹面鏡のように貼ります。この箱のな かに、水を入れた黒塗りペットボトルを置くだけで、ペッ トボトルの内部の温度は、太陽からの熱が順調なときに は 60℃以上にまですることができます。黒塗りペット ボトル 2 本で、料理のお湯や電気ポットの湯として用い ると、光熱費が節約でき、節電対策に十分になります。 また、屋根の上やちょっとしたルーフの上に、このペットをホース いろいろ手作りにチャレンジしてみるといいかと思います。屋根の につないで並べると、100 本あれば 200L になり、お風呂のお湯の 1 回 上に作るのに、がっちりと土台から作る方もおられるかと思いますが、 分に相当しますが、温度が 60℃近いので、水でぬるくうめて使うこと ペットボトルは消耗品で、半年あたりですべて入れ替えることを考え になる場合もあります。その意味では、50 本あれば、そこそこ、お風 ると、必要に応じて、屋根の上においておき、少なくとも屋根の際を 呂のお湯をまかなえるかといえそうです。 歩く歩行者に怪我をさせないようにストッパーを、屋根につけておく また、お風呂を使うのが夜になると、昼間に太陽熱で暖まった湯の 40℃程度にまで冷えてしまうことが考えられますが、それでも、お風 程度でも十分かともいえます。 台風のシーズンがくれば、少々頑丈に取り付けてあっても、屋根か ら降ろさないと危ないです。そのよう意味では、屋根の上に並べてお 呂には十分に利用できます。 く程度のものでも十分かとも考えられます。 実際には、Ｔ字の塩ビパイプとホースを、図のように次々に連結し ていきます。 ▶▶▶ 130 ▶▶▶ ▶▶▶ 131 ▶▶▶ 第６章 太陽電池以外の太陽エネルギーの活用法 で、エコボックス・スタンド付ソーラーオーブンが 4,680 円（税込）で 6-2 市販されています。エコボックスソーラーオーブンは、サイズが幅約 ソーラークッカー 50cm ×奥行き約 50cm ×高さ約 43cm で、重量は約 860 ｇです。エコボッ クス・スタンド付ソーラーオーブンは、サイズが幅約 50cm ×奥行き約 50cm ×高さ約 48cm で、重量が約 1200 ｇです。 市販のソーラークッカー ソーラークッカーも、市販のものもあれば、手作りもできます。実 際にいろいろなメーカーから市販されています。 工房あまねでは、パラボラ型ソーラークッカーを製造しています。 直径 1m30cm もある「おやぴか」というモデルで 198,000 円（税込）です。 また、「かるぴか」というモデルはオールアルミ製で、鏡が 80cm 反射 鏡で 2.4kg です。 三脚が 0.7kg で、全体で 3.1kg と軽量で、三脚付きの まま女性が片手で持って移動できる軽さで、27,800 円（税込）です。 ＜ Q:HP の写真やイラストを使いたいのですが A. きらぴか シリーズに 関するものは、どうぞご利用下さい。ご使用前にメールまたは FAX にてあ エコボックス・スタンド付 エコボックス ソーラーオーブン ソーラーオーブン まね にご一報下さい。原則無償です。＞ ソーラークッカーも手作り 最後に、ソーラークッカー、手作りできないの？と質問を受けそう です。もちろん手作りできます。 一番、簡単な方法は、傘の内側に、アルミシートを両面テープを用 いて貼ってしまうことです。家のなかをさがせば、もう使わなくなった 古傘の 1 本や 2 本ぐらいあるものです。このような傘の内側に、傘の 骨に沿うように、アルミシートを貼り、傘がたためることを確認しな がら貼るようにしましょう。アルミシートは、少ししっかりとした方 がいいので、アルミ箔を使うよりは、ガスコンロの下に敷くアルミシー おやぴか かるぴか トなどのほうが適しています。こうすると、傘をたたんだり開いたり しても、アルミシートが破れたりなどはしないで長持ちします。 また自然の風から、エコボックスソーラーオーブンが 2,880 円（税込） ▶▶▶ 132 ▶▶▶ 次に、どこに調理器具を置くかですが、100 円ショップなどで、温度 ▶▶▶ 133 ▶▶▶ 計が売られていますので、これを用いて傘の持ち手の中心ポールに沿っ て、温度が一番高いところを探して、マジックインキなどで目印をつ けておきましょう。ソーラークッキングをするときには、必ず、調理 したいものが、その目印のところに来るようにしましょう。 本当の最後に、太陽のエネルギーは無尽蔵で、しかも、とてもパワ フルです。太陽からの恵みのこのエネルギーを有効に活用することが、 人類に求められていると思います。ぜひ、読者のみなさまが、太陽エ ネルギーを有効活用することで、快適で豊かな生活が送り続けること ができることを祈っています。ともに、地球環境を守り、ともに人類 の平和を願い、太陽ととも生きていきましょう。 ▶▶▶ 134 ▶▶▶
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