太陽電池の新記録

公開日: 2020年8月10日 / 更新日: 2020年8月17日 – 著者: Konrad Wolfenstein

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より高い効率を同時達成 – 太陽電池の新記録

太陽光発電の研究では、太陽電池の効率を継続的に向上させることに尽力しています。高性能太陽電池材料を様々な方法で組み合わせることで、太陽光スペクトルをより効率的に利用し、光を電気エネルギーに変換するタンデム型太陽光発電は、ますます注目を集めています。フラウンホーファーISEは、シリコン上に直接成長させたIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新たな記録的な効率を記録しました。これは、コスト効率の高いシリコン基板上に製造された初の太陽電池であり、タンデム型太陽光発電の経済的に実現可能なソリューションへの道のりにおける重要なマイルストーンです。.

直径10cmのシリコン基板上に形成された複数のIII-V族タンデム太陽電池 – © Fraunhofer ISE – 写真: Markus Feifel

フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（ISE）は、長年にわたり多接合太陽電池の開発に取り組んできました。この太陽電池では、2つまたは3つのサブセルを積層することで、異なる波長の太陽光を電気に変換します。シリコンは赤外線領域の吸収材として適しており、その上にわずか数マイクロメートルの厚さのIII-V族半導体の薄層が塗布されます。これらの材料は周期表のIII族およびV族に属し、紫外線、可視光線、近赤外線をより効率的に電気に変換します。純粋なIII-V族半導体太陽電池は、既に宇宙空間や集光型太陽光発電で使用されています。より費用対効果の高いプロセスと、下部サブセルとしてのシリコンを組み合わせることで、このタンデム技術を将来的に太陽光発電に広く普及させることが期待されています。しかし、実現にはまだ長い道のりが残されています。.

直接シリコン成長III-V/Siタンデム太陽電池では25.9パーセント

III-V族とシリコンの太陽電池の組み合わせを製造するには、さまざまなアプローチがあります。フラウンホーファーISEは、2019年以来、III-V族半導体層をガリウムヒ素基板からシリコンに転写し、ウェーハボンドを使用して層を結合するタンデム型太陽電池で、34.1%（現在34.5%）の世界記録効率を保持しています。この技術は効率的ですが高価です。そのため、フラウンホーファーISEは長年にわたり、III-V族層をシリコン太陽電池上に堆積またはエピタキシャル結合する、より直接的な製造プロセスに取り組んできました。ここでは、すべての層で高い結晶品質を維持することが非常に重要であり、大きな課題です。現在、このようなシリコン上に直接成長したIII-V/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新しい世界記録効率が達成されています。フラウンホーファーISEの科学者、マルクス・ファイフェル氏は先日、第47回IEEE太陽光発電専門家会議（近頃の多くの会議と同様にオンライン開催）で自身の成功を発表し、ハイブリッドタンデム太陽電池部門で学生賞を受賞しました。「セルの複雑な内部構造は外部からは見えません。すべての吸収体が相互接続され、さらに結晶層によって電気的に接続されているためです」と、若き太陽電池研究者であるファイフェル氏は説明します。ファイフェル氏は、この技術によって1年足らずで効率を24.3%から25.9%に向上させることができました。「この成功は、マルチセル内の薄い層を1つ置き換えることで達成されました」と彼は続けます。「セルを詳細に分析した結果、この層が電気伝導の障壁として機能していることが明らかになりました。」

2007年以来、フラウンホーファーの研究者たちは、イルメナウ工科大学、マールブルクのフィリップス大学、そしてAixtron社と共同で、この技術を段階的に開発し、特殊なエピタキシーシステムを構築し、構造の各層を個別に検証してきました。これらの開発は、ドイツ連邦教育研究省（BMBF）の「III-V-Si」および「MehrSi」プロジェクトの枠組みの中で資金提供を受けました。この新しいタンデム型太陽電池の特筆すべき点は、III-V族層が、従来のように化学的・機械的に研磨された基板ではなく、シリコンウェハ上に成長したことです。結晶を切断した後、ウェハはシンプルで費用対効果の高い研削・エッチングプロセスを用いて処理されました。デンマークのTopsil社は、欧州の「SiTaSol」プロジェクトの枠組みの中でこれらのシリコンウェハを開発し、新しい多接合太陽電池の経済的な生産に向けて重要な一歩を踏み出しました。将来的には、効率をさらに高め、層の堆積をさらに高速化し、スループットを高めてコスト効率を高めることに重点が置かれ、タンデム型太陽光発電がエネルギー転換に必要な太陽光発電の拡大に重要な貢献をすることが目標となります。.

エネルギー転換の鍵となる技術

太陽電池による発電は、現在、世界の多くの地域で最も費用対効果の高いエネルギー生成手段です。「欧州の太陽光発電研究では、エネルギー転換におけるこの重要な技術の効率をさらに向上させるため、様々なコンセプトに取り組んでいます」と、太陽光発電研究責任者のシュテファン・グルンツ教授は述べています。「私たちは、シリコン太陽電池の生産をより持続可能かつ費用対効果の高いものにするだけでなく、実績のあるシリコンと他の半導体材料を組み合わせることで、より高い効率を達成するための新たな方法を模索しています。私たちは、タンデム型太陽光発電によってこれを実現しています。」タンデム型太陽光発電は、発電の未来を切り開くだけでなく、高い電圧特性を持つため、水を水素と酸素に直接分解する電気分解にも最適です。したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体として、そしてエネルギー転換の重要な構成要素としての水素の生産にも貢献します。.

III-V族/Si多接合太陽電池の層構造 – © Fraunhofer ISE

III-V/Si多接合太陽電池の層構造、AM1.5gスペクトル条件下での量子効率およびIV特性

より高い効率を同時達成 – 太陽電池の新記録

太陽光発電の研究では、太陽電池の効率向上に継続的に取り組んでいます。特に注目されているのはタンデム型太陽光発電です。タンデム型太陽光発電では、高性能太陽電池材料を様々な組み合わせで用いることで、太陽光スペクトルをより効率的に利用し、光を電気エネルギーに変換します。フラウンホーファーISEは、シリコン上に直接成長させたIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新たな記録的な効率を達成したと報告しています。これは、低コストのシリコン基板上に初めて製造されたものであり、タンデム型太陽光発電の経済的なソリューションに向けた重要なマイルストーンです。.

直径10cmのシリコン基板上に形成された複数のIII-V族タンデム太陽電池 – © Fraunhofer ISE – 写真: Markus Feifel

フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所（ISE）は、長年にわたり、2つまたは3つの部分セルを上下に重ねて太陽光の異なる波長を電気に変換する多接合太陽電池の開発に取り組んできました。シリコンは赤外線吸収材として適しており、その上に周期表のIII族およびV族に属するIII-V半導体層が積層されています。これらの材料は、紫外線、可視光線、近赤外線をより効率的に電気に変換します。純粋なIII-V族半導体太陽電池は、既に宇宙空間や集光型太陽光発電で使用されています。より費用対効果の高いプロセスとシリコンを最下層のサブセルとして組み合わせることで、このタンデム技術は将来、幅広い太陽光発電に利用可能になる予定です。しかし、それまでにはまだまだ長い道のりが残されています。.

シリコン上に直接成長したIII-V/Siタンデム太陽電池では25.9パーセント

III-V族とシリコンの太陽電池の組み合わせを製造するには、さまざまなアプローチがあります。たとえば、フラウンホーファーISEは2019年以来、III-V族半導体層をガリウムヒ素基板からシリコンに転写し、これらの層をいわゆるウェーハボンドで接続したタンデム型太陽電池で、34.1%（現在は34.5%）の効率の世界記録を保持しています。この技術は効率的ですが高価です。このため、フラウンホーファーISEは長年、III-V族層をシリコン太陽電池上に堆積またはエピタキシャル成長させる、より直接的な製造プロセスに取り組んできました。このプロセスでは、すべての層で高い結晶品質を維持することが重要であり、これは大きな課題です。現在、このようなシリコン上に直接成長したIII-V族/Siタンデム型太陽電池で、25.9%という新しい世界記録の効率が達成されています。フラウンホーファーISEの科学者マルクス・ファイフェル氏は最近、第47回IEEE太陽光発電専門家会議（現在多くの会議と同様にオンラインで開催）で自身の成功を発表し、ハイブリッドタンデム太陽電池部門で学生賞を受賞した。「外部からは、セルの複雑な内部構造は見えません。すべての吸収体が追加の結晶層で互いに接続され、電気的に接続されているためです」と、この若き太陽電池研究者は説明する。こうして、彼は1年足らずで研究結果を24.3パーセントから25.9パーセントに向上させることができた。「この成功は、複数のセル内の単一の薄い層を置き換えることで達成されました」と彼は続ける。「セルを注意深く分析したところ、この層が電力線に対する障壁を作っていることが明らかになりました。」

フラウンホーファーの研究者たちは、2007年からイルメナウ工科大学、フィリップス・マールブルク大学、アイクストロン社と共同で、特殊なエピタキシー装置を設置して構造のすべての層を検査するなど、少しずつ技術開発を進めてきました。これらの開発は、ドイツ連邦教育研究省（BMBF）の「III-V-Si」および「MehrSi」プロジェクトの一環として資金提供を受けました。この新しいタンデム太陽電池の特に注目すべき点は、III-V層が従来のように化学機械研磨された基板上に成長したのではなく、結晶を切断した後、安価な研削とエッチングのプロセスのみを使用した簡単なプロセスで処理されたシリコンウェハ上に成長したことです。欧州プロジェクト「SiTaSol」の一環として、デンマークの企業Topsil社がこのシリコンウェハを開発し、新しい多接合太陽電池の経済的な生産に向けた重要な一歩を踏み出しました。将来的には、効率をさらに高め、層の堆積をさらに高速化し、スループットを高めてコスト効率を高めることを目標とし、タンデム型太陽光発電がエネルギー転換に必要な太陽光発電の拡大に重要な貢献を行えるようにすることを目指します。.

エネルギーシステム変革の鍵となる技術

今日、世界の多くの地域では、太陽電池による発電が最も安価なエネルギー生成手段となっています。「欧州の太陽光発電研究では、エネルギー転換の鍵となるこの技術の効率をさらに向上させるため、様々なコンセプトに取り組んでいます」と、太陽光発電研究部門長のシュテファン・グルンツ教授は述べています。「私たちは、シリコン太陽電池の生産をより持続可能かつ費用対効果の高いものにするだけでなく、実績のあるシリコンを他の半導体材料と組み合わせることで、さらに高い効率を実現するための新たな領域にも取り組んでいます。私たちは、これをタンデム型太陽光発電によって実現しています。タンデム型太陽光発電は、発電の未来を切り開くだけでなく、高い電圧を持つこれらの太陽電池は、水を水素と酸素に直接分解する電気分解にも最適です。したがって、この技術は、エネルギー貯蔵媒体としての水素の製造、そしてエネルギー転換の重要な構成要素にも貢献します。」.

III-V族/Si多接合太陽電池の層構造 – © Fraunhofer ISE

III-V/Si多接合太陽電池の層構造、AM 1.5gスペクトル条件下での量子効率およびIV特性