太陽光発電の仕組み｜光がエネルギーになる原理の基本を1分で解説

太陽光発電ってどうやって電気を作っているの？

なぜ太陽から電気を作ることができるの？

と、疑問に思ったことはありませんか？

太陽光発電の仕組みは、一言で言えば「光のエネルギーを、太陽光パネルを使って電気として取り出す」仕組みです。

しかし、これだけ聞いても「何となくイメージできるが、具体的によくわからない」と感じる人も多いでしょう。

太陽光発電の仕組みを正確に深く理解しようとすると、本来はエネルギーとは何か、電気とは何かといった、物理や科学の知識も必要となり、ここで諦めてしまう人もいるかもしれません。

そこで、この記事では、多くの人が疑問に思っている「太陽の光から、どうやって電気を取り出しているのか」という原理を、記事の冒頭でシンプルに整理します。

また記事の後半では、さらに仕組みを深く知りたい人向けに、よくある疑問や、太陽光以外の自然エネルギーでもなぜ電気が作れるのかも、解説していきます。

太陽光発電に興味がある人や、環境に配慮したエネルギーについて考えている人であれば、興味深い内容になっていますので、ぜひご覧ください。

太陽光から電気が作られる原理

太陽光から電気をつくる原理は簡単にいうと以下の通りです。

①太陽が出す光そのものがエネルギー

②エネルギーが物質に当たると内部の状態を変える力があり、決まった場所に留まっていた電子が動き出す

③電子が一定方向に動くと電気になる

①から③について、それぞれ解説していきます。

①太陽が出す光そのものがエネルギー

太陽が出す光は、それ自体がエネルギーを持っています。

ここでいうエネルギーとは「力を加えて物を動かす」、「位置・速さ・温度・状態を変える」能力のことです。光は物質に当たると、その表面や内部に影響を与える力を持っています。

②エネルギーが物質に当たると内部の状態を変える

エネルギーを持った光が物質に当たると、見た目は変わらなくても、内部では変化が起きます。

すべての物質は、原子やその中にある電子からできていて、外からエネルギーが加わると動き方や配置が変わります。

太陽光発電の場合、光のエネルギーが太陽光パネル内の専用の物質（シリコン（Silicon））に入り込み、電子はそれまでの安定した状態から変化し、動けるようになります。

③電子が一定方向に動くと電気になる

電子が動ける状態になっても、それだけではまだ電気として使えません。電子があちこちに動くだけでは、動きはすぐに打ち消されてしまい、外から取り出せる現象にはならないからです。電気として利用するには、電子が同じ向きに、続けて動き続ける必要があります。

太陽光発電では、この状態を人工的に作り出し、電気として使えるようにしています。

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電子を一定方向に動かすn型半導体とp型半導体

電子を電気として使うためには、電子が同じ向きに続けて動く状態をキープしなくてはいけません。太陽光発電では、この状態を作るために、n型半導体とp型半導体という性質の異なる二つの材料を利用します。

n型半導体は、電子が多く集まりやすい性質があり、反対にp型半導体は電子が少なく電子が流れ込んできやすい性質があります。この二つを貼り合わせることで偏りができ、電子は自然とn型からp型へ向かって移動しやすくなります。

こうして、電子は、その坂に沿って同じ方向へ流れ続けます。このように、n型半導体とp型半導体を利用して、電子を電気として使えるようにしています。

太陽光パネル内のシリコン（Silicon）の役割

電子はすべての物質の中に存在していますが、どんな物質でも太陽光発電に使えるわけではなく、電子が動ける状態になり、さらにその動きを制御できるという条件をクリアした物質が必要となります。

その点で、シリコンは太陽光発電に向いています。シリコンは、電子がまったく動かない物質でも、常に自由に動き回る物質でもなく、外からエネルギーが加わったとき、電子が動けるようになる、ちょうど中間的な性質を持っています。

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太陽の光が発電に向いている理由

太陽の出す光そのものがエネルギーに代わるという説明をしましたが、光であればどんな光でもいいわけではありません。

光にはいろいろな種類が存在し、それによって物質の中の電子にどのような変化を起こせるかが変わります。その点で、太陽の光は電子を動かすのにちょうどよい性質を持っています。

赤外線はエネルギーが比較的弱く、主に暖かさとして感じられます。紫外線はエネルギーが強く、日焼けの原因になるような作用を持っていますが、エネルギーが弱すぎる光では電子は動ける状態にならない、逆に強すぎる光では熱が発生し、発電に上手く利用できない部分もあるため、太陽光はちょうどよいのです。

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発電した電気を家庭で使える形にする

太陽光パネルの中でつくられた電気は直流と呼ばれる電気です。一方、家庭のコンセントから供給されている電気は、交流と呼ばれる電気です。

直流電気（DC）： 電気が一方向にずっと流れる電気

交流電気（AC）：電気の流れる向きが周期的に入れ替わる電気

このため、太陽光発電設備は発電自体を行う太陽光パネルの他にパワーコンディショナーという直流電気を交流電気に変換する装置が必要になります。

昔の家電はすべて交流でしたがテクノロジーの進化とともに、パソコンやスマホのように内部では直流を利用して動く機器も増えています。しかし、現在のところ太陽光発電で作った電気はパワーコンディショナーを通してから家庭で使う必要があります。

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太陽光以外の自然の力電気をつくる

太陽光発電以外にも、水、風や地熱を使っても電気をつくることができます。

水力発電は、高いところから低いところへ水が流れる力でタービンを回し、その回転を利用して電気をつくります。

風力発電は、風が吹くことで風車が回り、その回転の動きを電気に変えています。

地熱発電は、地下の熱で生じた蒸気や熱水の力でタービンを回し、電気を生み出します

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まとめ：太陽光発電の仕組みを知ると、選び方が変わる

太陽光発電は、太陽の光を「熱」として使うのではなく、光のエネルギーによって電子を動かし、その流れを電気として取り出す仕組みです。光が当たることで電子が動ける状態になり、n型半導体とp型半導体をつかって、電子の流れる向きが整えられます。こうして生まれた電気は直流で、パワーコンディショナーを通して家庭で使える交流に変換されます。

一見すると難しそうに見える太陽光発電ですが、一言で言うと
「光が電子を動かし、その動きをうまく取り出している」
という、とてもシンプルな仕組みです。

太陽光パネルの購入を検討している方はこの情報を頭の片隅で覚えておくと、発電が少ないときや機器の買い替えの時などに役立ちますよ。 

ただし、実際に太陽光発電を導入するかどうかは、原理が分かっただけでは判断できません。
住宅の条件、電気の使い方、設置容量、将来のライフスタイルなどによって、向き不向きは大きく変わります。