山田興一副センター長Nature Photonics Technology ...2010/10/21 · 太陽電池の種類 2 0 第一世代バルク, 高コスト cy % 有機タンデム色素増感型

理論効率

非可逆プロセスによるエントロピー変化はない理想的なエネルギー変換（Landsberg efficiency）

=1- (4/3)(Tr/Ts )+(1/3)(Tr/Ts )4=93.3% , Ts =5700K,Tr =300K

太陽エネルギーの変換技術により限界効率が決まる

熱力学における太陽電池の理論効率

ホットキャリア

Sun light

Selective energy contact

インターバンド

p

nSun light

タンデム

Sun light

W=(Es-Er)-Tr(Ss-Sr)=σ(Ts4-Tr4)-Tr(4/3σTs3-4/3σTr3),

・・・・・

s:太陽, r:室温の系

Sun light

単一接合

太陽電池の種類

2

0

第一世代バルク, 高コスト

Con

vers

ion E

ffic

iency %

有機

タンデム

色素増感型アモルファス

多結晶

単結晶

10

20

30

40

太陽電池の効率推移

3

３接合タンデムの新たな記録が達成された42.1%(2010年、集光）、35.8%（2009年、非集光）

42.1%

4

単一接合太陽電池の効率向上（Ｓｉ）

資源や安全などシリコン（Si）が主流

光閉じ込め、反射防止

10～50μm

~

~~ ~~

• 再結合を抑え、キャリア寿命の増大

• 薄膜の作製プロセスの開発(sheet growth techniques)

• 反射防止など

欠陥の制御

0

5

10

15

20

25

30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Bandgap(eV)

Eff

icie

nc

y(%

)

単一接合の最大効率：25～30％バンドギャップ： 1.4eV付近

100%P

FFVIη

incident

ocsc

, FF:曲線因子

高効率化するには

5

単一接合太陽電池の効率向上（ＣＩＧＳ）

1998年にUNSWが実現した最高効率

多結晶シリコン：19.8%

単結晶シリコン：24.4％

出典：APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 73, NUMBER 14, 1991

Honeycomb 構造による光の反射損失を低減させ、光吸収の有効膜厚を増大させた。

酸化膜で表面を被覆することによって、表面再結合を抑える

理論値に近い効率が実現されている

単一接合太陽電池の効率向上（ＣＩＧＳ）

第二世代であるCIGS太陽電池は第三世代の高効率・低コスト太陽電池としても期待されている。その特徴は

コストが低く、高速生産が可能

効率が高い

耐久性が高い

module cost

CIGS 太陽電池について

CIGS

Soda lime glass

ZnO系バファー

CIGS太陽電池の基本構成バンド図

CIGS

ZnO

HR/n+-ZnO

CdS

Eg=1.4eV付近で最大の効率（～30％）を持つと考えられるが、現状での電池はEgが約1.2eVのものである。

接合界面における反転層の形成が高効率の一つ要因

p-type

In/Ga の組成比によってバンドギャップの制御(1.0-1.7eV)が可能

接合界面における反転層の形成が高効率の要因

カルコパイライト系太陽電池の課題

高品質な膜開発(CIGS)(Ga/(In+Ga)~0.6, Eg=1.4 eV)

接合界面の制御によるキャリアの長寿命化バファー層、ワイドギャップの窓材料などの最適化

CIGS太陽電池のVocを向上させるアプローチ

In,Gaの使用量を減すための代替材料の可能性

Si

GaAs Ⅲ Ⅴ

Ⅳ

Ⅱ Ⅳ Ⅴ2CdGeP2

Ⅲ Ⅴ

Ⅳ

Ⅱ Ⅵ

Ⅵ2ⅢⅠCuInSe2

CdS

Si

GaAs

物質名 Eg(eV) a (Å)

Zn-Ge-P2 2.34 5.47

Zn-Sn-P2 1.66 5.67

Zn-Ge-As2 1.15 5.65

Zn-Sn-As2 0.73 5.85

Zn-Sn-Sb2 0.3 6.28

Cu-Al-Te2 2.06 5.96

・・・高品質な膜の作製プロセスの確立が重要

第三世代太陽電池のアプローチ

高効率（50％）・低コスト化に向けて

Eg

サイズ効果を利用したタンデム型材料の設計が可能

単一接合において中間バンドを利用した光吸収域の拡大が可能

キャリアのエネルギー緩和時間の増大によって高エネルギーの光の活用も原理的に可能

大

中間バンド方式

p

n量子ドット型太陽電池

タンデム型太陽電池：複数のセルを接合させ光吸収域を拡大

タンデム型太陽電池のアプローチ

高効率モノリシックタンデム型（多接合型）太陽電池の条件

格子の整合性

最適なバンドギャップの組み合わせ

既存の多接合太陽電池は、高い結晶性を持つ良質な薄膜の作製が容易であるⅢ-Ⅴ族が一般的である。人工衛星で実用されているInGaP/ GaAs/ Geの3接合太陽電池は格子整合型である。

bottom

middle

Top InGaP

GaAs

Ge

Eg = 1.85 eV

Eg = 1.42 eV

Eg = 0.67 eV

5.2

5.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Ge GaAs

GaPSi

InAs

InP

GaSb

InGaP

Bandgap(eV)

Lat

tice

co

nst

ant(

Å)


理想な３接合太陽電池は47％の高効率が得られる

既存の３接合太陽電池は、格子整合（ 0.67eV/1.4eV/1.88eV ）である故に、バンドギャップが最適な組み合わせではない

接合数

効率

%(A

m1.5

)

理想的な3 接合0.74eV/1.2eV/1.8eV 61%%

(36 cells, 1 sun)

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4

実現された効率は理論に及ばない

31.5%


Middle セルにGaAs よりバンドギャップの小さいセルを用いるBottom セルにGeよりバンドギャップの大きいセルを用いる

既存の3接合タンデムセルの光電流は、Middle セル（GaAscell）で発生した光電流によって制限される


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 1 2 3 4

Jsc mAcm-2

Np

h (

10

17

cm

-2 S

-1)

Energy (eV)

３接合（0.74eV/1.2eV/1.8eV）タンデム太陽電池の最大効率は59％

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4接合数

効率

%

61%%(36 cells, 1 sun)

71%(36 cells, 1000 sun)

1000 sun

1 sun

35.8 % (1 sun, 2009, Sharp)

新しい組み合わせにより、３接合太陽電池の向上を図る

41.1 % (454 sun, 2009,Fraunhofer-ISE)

2010年9月にシャープが東京大学（ToDai）と共同開発した集光型太陽電池が42.1%の世界最高効率を達成


Efficiency limit


0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 1 2 3 4

Jsc mAcm-2

Np

h (

10

17

cm

-2 S

-1)

Energy (eV)

３接合（0.74eV/1.2eV/1.8eV）タンデム太陽電池の最大効率は59％

InGaP

GaAs

InGaAs

Eg = 1.85 eV

Eg = 1.42 eV

Eg = 0.97 eV

2009, Sharp35.8%

InGaP

GaAs

Ge

Eg = 1.88 eV

Eg = 1.42 eV

Eg = 0.67 eV

Conventional

32%InGaP

InGaAs

Ge

Eg = 1.75 eV

Eg = 1.2 eV

Eg = 0.67 eV

2009, Fraunhofer-ISE41.1％(454sun)

光電流を増大させる

起電力を増大させるVoc=3V

Isc=13.94mA/cm2


2009, Sharp:35.8%

InGaP

GaAs

InGaAs

GaAs

InGaP

GaAs

InGaAs

Eg = 1.85 eV

Eg = 1.42 eV

Eg = 0.97 eV

支持基板

通常の成膜の順番を逆転させ、 GaAs基板上に格子整合性の高いtop , middleセルを形成してからバファー層を挿入してbottom セルを作製する。支持基板に張り合わせて、 GaAs 基板を分離させる。



0

10

20

30

40

50

60

conventional sharp Fraunhofer-ISE

454

sun

タンデム型太陽電池の接合数を増やして、高効率化を狙うには格子整合性の問題を解決する必要がある。

5.2

5.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4

6.6

0 1 2 3 4

格子定数

[A]

バンドギャップ[eV]

Zinc blende type & Diamond type

Ⅲ－Ⅴ

Ⅱ－Ⅵ

Ⅳ

In-Sb

In-As

Ge

Ga-Sb

Ga-As

In-P

Cd-Te

Zn-Te

Si Ga-P

Cd-Se

Zn-Se

Zn-S

多元系材料の良質な膜の開発が重要である


3 cells 4 cells

InGaP

InGaAs

Ge

Eg = 1.75 eV

Eg = 1.2 eV

Eg = 0.67 eV

AlInGaP

InGaAs

Ge

Eg = 2.0 eV

Eg = 1.4 eV

Eg = 0.67 eV

Eg = 1eV

InGaAsN:Sb

InGaAs/GaAsPInGaAsN/GaAsInAs/GaAsN:Sb

超格子構造

東京大学で新しいⅢ-Ⅴ系のバルク結晶、歪み補償を利用した超格子や量子ドット膜の開発が進まれている CVDなどの薄膜形成技術の開発や確立

１eV程度のバンドギャップを持つ薄膜を開発するアプローチ

バルク薄膜量子ドット

歪み補償効果を利用



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 1 2 3 4

Jsc mAcm-2

Np

h (

10

17 c

m-2

S-1

)

Energy (eV)

東大の４接合（0.67eV/1eV/1.4eV/2eV）タンデム太陽電池の最大効率は52％

量子ドット太陽電池

量子サイズ効果を利用したタンデム型太陽電池

SiO2層とSiが過剰となるSiOx層との積層膜を加熱してSi量子ドットを形成

出典： Nanotechnology 19 (2008) 245201（UNSW）,Pro. Martin A Green1

Siのドットサイズが小さいほど起電力が大きい（効率～10％）

サイズ効果が確認できた

高効率に向けて

Si 量子ドットを用いた単一接合太陽電池が１％の効率を実現した（東京工業大学）。

量子サイズ効果を利用したタンデム型太陽電池

アモルファスSiC:H

Si量子ドット

Prof.Konagai

量子ドット層

n+-Si

金属電極

アモルファスSi(p)

金属電極

バンドギャップはIn/Ga比によって制御できる→Eg =1~1.7eV.

CIGS材料のタンデムセル

CuGaSe2 Eg~1.7eV

CuInGaSe2 Eg~1.2eV

narrow gap? Eg~07eV

Eg = 1.010 + 0.626x − 0.167x(1 − x), x= In/Ga

wide gap? Eg ~ 1.8eV

CuInGaSe2 Eg ~ 1.4eV

CuInSe2 Eg~1.0eV

or ・・・

３接合のタンデムには他の光吸収材料との組み合わせが必要

光の透過できるバファー層などの開発も不可欠

高効率化に向けて

高効率化に向けて

中間バンドを利用した量子ドット太陽電池の高効率化（＞60%）

InAs QD

in

0

100

200

300

400

500

0.01 0.1 1 10 100

モジ

ュー

ルコスト

[¥/W

]

生産コスト(GW/y)

12% 15% 17%

SM

EI

TI

SM

EI

TI

モジュール効率

Case※ 1→2 2→3

SM 43円/W 3円/W

EI 43 26

TI 136 29

222 58

コスト低下

※ 生産コストモジュールコスト(円/W)

Case1 : 0.01GW/y 391

Case2 : 1 169

Cace3 : 100 111

SM:スケールメリットEI:効率向上TI:技術進歩

多結晶Si太陽電池モジュールのコスト

SOG-Si

ウェハ

（スライス）

セル

モジュール

（保護ガラス）

CO2［g-C/w］

計

Cost［円/W］ Cost［円/W］ CO2［g-C/w］ Cost［円/W］

177.9 44% 19%73.9 14%23.2 51.5 40% 13.2 12%

98.5 25% 94.1 24% 40.9 24% 21.5 17% 19.5 18%

52.0 13% 62.2 16% 32.7 19% 17.3 13% 17.1 15%

32.1 8% 111.4 28% 33.4 20% 9.0 7% 18.4 17%

92.9 23% 111.9 29% 71.3 42% 46.8 36% 59.6 54%

19.1 5% 50.6 13% 26.3 16% 8.2 6% 22.0 20%

401 100% 391 100% 100% 100%100%169 129 111

Case 1-10 MW Case 3-100 GWCase 2-1 GW

多結晶Si 太陽電池モジュールコスト

27

太陽電池モジュールのコスト

現状将来① 将来②

効率CIGS

効率13％InGaAsP三層効率40％

InGaAsP三層効率40％

１GW/年規模のトータルコスト 1000億円

300億円（一層/1分）

3000億円（一層/100分）

１Wあたりモジュールコスト 112円/W 51円/W 145円/W

内訳材料費 90円/W 45円/W 45円/W

電気代 5円/W ＜1円/W 50円/W

人件費 2円/W 1円/W 5円/W

償却その他 15円/W 5円/W 45円/W

Limits of Ga and In Resourceｓ

Ⅰ Required material weight

１ CIGS Cell （Efficiency = 15％, Layer thickness 2μm）・ Ga weight = 9g/kW = 900 ｔ/100GW・ In weight = 26g/kW

= 2,600 t/100GW

２Ga system cell （3 - junction, Eff. = 40％, Layer thickness = 2μm）・ Ga weight = 15g/kW = 1,500 t/100GW

Ⅱ Present production rates and potential of Ga, In resources

Production（2007, t/y） PotentialGa 221（96*） 110,000 t/y （ 1,000 ** t/y）In 1,340（530* ） 30,000

*Recycled in Japan **From Bayer process

CIGS PV potential :100 GW/y

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