3vSEMI陵杆発電\術シンポジウムから見る現Xと来t望(1)
セミコンジャパン2008にせ、3vSEMI陵杆発電シンポジウムが幕張で開された。陵杆発電は、長期的なt望に立った\術であるため、現Xと来へのt望について、業cを代表し、研|開発的な立場から噞総合研|所陵杆発電研|センター、セルやモジュールを攵するメーカーとして洋電機、セルの鍵となる材料のシリコン立場からスペースエナジーからの発表をまとめた。まず、旟研の講演から紹介する。

「陵杆発電\術開発の現Xと来t望」噞総合研|所陵杆発電研|センター
二v 栄の講演
1.陵杆発電研|センターの要
再擴修離┘優襯ーの中で陵杆がめる割合は、まだまだ小さいが、2030Qでは搥発電量102GWが[定され、陵杆への期待はjきい。
世cの陵杆発電攵盋はQ率40%Zく\加しているが、現在日本では停]しており、今後は日本の攵盋を\やす努が要である。2005Qまでは、日本が攵盋シェアの50%をめていたが、今はドイツのQ-Cells社等L外勢がPび、日本のシェアは低下している。zなメーカーとして盜颪Sunsolar社は、CdTeをいた陵杆モジュールでシェアをk気にPばしてきたT果、薄膜の攵盋もPび出している。
PV2030のロードマップは、今見直し段階に来ている。このロードマップによれば、2030Qには、日本の総電量の10%を陵杆発電でう画である。現在は、まだ2GWだが、2050Qには50倍にする画である。また現在の発電コストは、43/kWhであるが、他の発電コストを考慮すると、2030Qまでにはこのコストを1/6〜1/7にしなければならない。さらなる\術革新と、性Δ慮屬要だが、現X\術の改良では達成できないことがわかっている。これを達成するためには、革新的な\術が要であり、現在旟研ではそのような革新的な\術の開発と研|を進めている。
旟研は、2001Qに行われた通愱の機構改革で、複数の国家研|所が1つの旟研になった。現在の研|vは、約2,700@で職^を合わせると3,000@をえる職^がしている。さらに、L外人^を含めると職^数は、5000人に屬襦8|開発の組Eとしては、jきく研|靆腓噺|開発センターの2つがある。研|靆腓蓮▲掘璽困鮓|する役割を担い、開発センターは、`Yをeって]期間に研|を行うことがミッションになっており、陵杆発電の研|靆腓蓮△海慮|センターに所錣垢襦
陵枦澱啗|靆腓離潺奪轡腑鵑蓮下記である。
1)新陵枦澱唳猯禅擇咼妊丱ぅ垢粒発、h価
→コスト低、環境負荷低
2)陵枦澱咾虜Y化とh価\術の開発
→噞基盤の確立(国際争の啣宗
3)陵杆発電システム運、h価\術の開発
→エネルギー源としての基盤啣
4)陵杆発電を通じた国際協
→国際貢献、争啣
また、ポリシーとしては、「\術統合のためのプラットフォームをWした迅]な噞化‥召斑耄立場でのh価、策策定への貢献」である。
研|は、6のチームに分かれている。1)シリコン新材料チーム、2)T晶シリコンチーム、3)化合馭膜チーム、4)h価・システムチーム、5)~機薄膜チーム、6)噞化戦Sチーム
2.Q|陵枦澱咾粒発課と旟研のDり組み
陵枦澱咾煉|類は、jきく、1)シリコン、2)化合U、3)~機Uにj別できる。基本は、単T晶、HT晶のシリコンUの陵枦澱咾任△襪、シリコン原料不Bから、薄膜Uの陵枦澱咾Pびている。~機Uは、色素\感と~機薄膜の2つの要素からなり、旟研では、要素\術の開発をやっている。~機Uは、まだ先の陵枦澱咾任△襦
2.1 T晶シリコン陵枦澱
□現Xと課
T晶Uの陵枦澱咾蓮⊥x場の9割をしめているが、シリコンの原料不Bで、攵画に影xが出ている。T晶Uの陵枦澱咾蓮▲ΕА璽聾200μmの厚いSiT晶を使うため、低コスト化が要になる。旟研では、低コスト化のために、下記の研|をおこなっている。
1)シリコン原料の使量低(50〜100μmの薄膜化、スライス\術、球Xシリコン、光閉じ込め)
2)原料シリコンの開発
3)lフリーペースト
4)新構](HIT等)
□HT晶の]壻
シリコンを高aで溶かし、wめてHT晶インゴットを]し、切って基を作る。現Xの課としては、薄く切れない、キリコのロス等があり、スライス\術は旟研でも_要な研|テーマである。現在のHT晶の実は、小C積で19%、セルで18.5%、モジュールでは15%である。
□T晶シリコンの戦S
<薄膜化>
旟研では、薄くても効率が出る陵杆セル開発をしている。来の^`砥と異なり、w定砥をいて薄膜化を行っている。w定型の砥ワイヤーソーは、ピアノ線に砥をw定させて切る\術である。w定砥で切削したウェーハのキャリアライフタイムを比較すると、^`砥に比べライフタイムが長い。これは、表Cのダメージに因しており、ライフタイムが]いと表Cにシリコンにダメージがはっていることになる。恐らく、w定砥では、数μmのダメージであるが、^`では10μmのダメージが入っているということが分かる。
<球Xシリコン>
スライスレス\術として、球Xシリコンの研|を行っている。溶融したシリコンをに落としをwめ、球Xのシリコンを作る。2倅度のjきさでpn接合を作り、19の球を集めて変換効率11%度が出ている。
<HIT型>
HITの徴は、]プロセスa度が低いことである。HITは、単T晶シリコンの屬縫▲皀襯侫.好轡螢灰鵑ける構]をしている。アモルファスの膜厚のU御が_要なポイントであり、この薄膜U御\術を研|している。
2.2 薄膜シリコン陵枦澱
薄膜シリコン陵枦澱咾徴は、下記のとおりである。
1)低aで形成可Α]に要するエネルギーが少ない
2)使原料を低可Α低コスト
3)優れたa度係数(高aでの性δ祺爾肋ない)
4)デザインのOy度j
5)光照o下で性δ祺次Stebler-Wronski効果)
旟研では、T晶シリコンを薄くして、54μmの両Cヘテロ構]の陵枦澱咾魍発した。分光感度は、それなりにカバーできており、変換効率12%を達成した。光閉じ込め構]を導入すると、さらに効率は屬ると予[される。
<研|の経緯>
薄膜は、タンデム化が主流である。1976Qにヌシャテルjでアモルファスの単接合が開発され、その時の変換効率は9.5%であった。1997Qにはカネカが単T晶とアモルファスを組み合わせた2接合の薄膜を開発し、11.7%を実現した。これ以T、微T晶シリコンをいた2接合が主流になり変換効率10%以屬任△襦旟研では、もうkつ層をBして3接合の研|を行っており、`Yは2010Qに15%を`指している。
<トリプルタンデム型新構]陵枦澱咫
トリプルタンデム型は、バンドの異なるを_ね、光吸収S長帯の異なるを使って、効率よく光を吸収する構]である。アモルファスSi(a-Si)と微T晶Si-Geをいており、変換効率16%を実現した。今後は、ナローギャップ化により、高い軍梓凝戮鰓uることを`指す。
<薄膜シリコン陵枦澱咾龍\術課>
\術課は、以下である。
・アモルファスシリコンの光劣化
・微T晶シリコンの高]\積(微T晶シリコンは成長レートが1桁い)
・jC積\積
・タンデム化
・透電極、光閉じ込め
・フレキシブル化
<薄膜シリコン陵枦澱咾粒発ロードマップ>
旟研では、下記の4つの研|テーマを進め、CO2削e可社会の実現を図る
1)高効率化\術の開発(H接合型陵枦澱咫2)高攵掚\術の開発(高]成膜\術)3)高性ζ導電膜の開発(高‘暗抃榛猯繊4)ヘテロ構]デバイスの開発(a-SiH/c-Si陵枦澱咫
□薄膜シリコンの戦S
<H接合化(微T晶SiGe)>
例えば、微T晶にGeを加えた微T晶SiGe薄膜陵枦澱咾粒発を行っている。Geの濃度を変えることにより、光吸収を\加させ効率向屬鮨泙襦
<a-Si:H光照o効果の抑U>
光照oによりa-SiH層内にL陥が收し、陵枦澱咾諒儡晃率がjきく低下する現がわかっている。これは、シランプラズマ中で形成した高次シランがa-SiHにDり込まれ光劣化を引きこす現である。トライオード法を使えば、高次のシランの混入をcけることができる。トライオード法とは、アノードとカソードの間に金錺瓮奪轡綸填砲鰊U入し、プラズマを空間的に閉じ込める桔,任△襦
<高攵掚(高]成膜、jC積化)>
高]かつjC積のマイクロS表CSプラズマCVDの開発を@古屋j学と共同で進めている。
<高‘暗拇填頬譟親膜の開発>
アモルファスは、1層だが、3接合は、間に透電極膜が要になる。来のITOに瓦靴董H2を導入した。B^率Oは変わらないが、‘暗戮肇ャリア濃度が違う。B^率を下げ、‘暗戮魏爾欧襦△弔泙螢ャリア濃度が高いことでキャリアの吸収が可Δ箸覆襦‘暗戮旅發い里蓮禁U帯でも透になる。
2.3 化合U薄膜陵枦澱
<CIGSとは>
CIGSは、昭和シェル等で開発を行っている化合馭膜陵枦澱咾任△襦-III-困離ルコパイライト半導であり、禁U帯幅は、GaとInの濃度でU御できるという徴がある。通常の化合颪鉾罎戞▲屮譽鵐匹2|類eつということで、カルコパイライトと}ばれている。
<CIGSの徴>
構]としては、ガラス基+金鐡填法p-Cu(InGa)Se+CdS+iZnOから構成されている。徴は、以下である
1)変換効率が高い(フィルファクタFF=19.5%)
2)吸収係数がjきく薄膜化可Α弗舛ら10の5乗/cm:Siの100倍/吸収層約2μm、で3μm)
3)経Q劣化が無い
4)優れた耐放o線性(NASDA人工ナ星で実証)
5)低コスト基を使可
CIGSは、材料250gで1軒分の陵枦澱咾できることもjきな徴であり、省@源で少ない量で陵枦澱咾できる。量僝は、2007Qから、昭和セルが20MWの]を開始した。今後、80MW@2009、1GW@2010を`指している。他のメーカーとしては、ホンダとWuerth Solar、AVANCIS(サンゴバンの子会社)等、ベンチャーも含め20社以屬開発している。
CIGSは、効率が良いという徴があるが、k気任蓮⊇jC積では効率が下がるという問がある。1平cmの小C積では、20%弱の高効率だが、x販モジュールのようなjC積では、10%度の効率となってしまう。
現在約20%の高効率がuられたが,これ以Pびるのか?理b的に言うと、変換効率は、禁U帯幅1.4〜1.5eVのバンドギャップが高い。CIGSは、Gaを\やすとEg=1.25eVで変換効率は最jになるが、それ以屬Egでは効率はそれから下がることが瑤蕕譴討い襦このため、旟研では1.3eV以屬離錺ぅ疋ャップの陵枦澱咾粒発を進めている。これは、cCの問が_要で、h価\術も合わせて開発している。
<jC積化>
研|室レベルでは、3×3平cmの小C積のガラス基であるが、量では、60×120平cmのjC積が要となる。旟研では、研|室レベルからさらにk歩踏み込んで、10×10平cmまで実証する予定である。この実現には、来の研|室レベルのプロセスに比べ、プロセスがjきく異なる。jC積モジュールは、Moのバックコンタクト形成後にパターニング工が入り、さらにバッファをけた後に2v`のパターニング、導電膜をけた後3v`のパターニングが入る。このようなプロセスでは、陵枦澱咾覇阿ない霾ができてしまう。
通常のCellはeに電流が流れるが、新プロセスでは、透導電膜Mo中の長い{`を電流が流れてしまい、このことによりB^が効くので、層が厚くならざるをえなくなる。層が厚いと光ロスが発擇靴討靴泙Αこれでは、さらなるjC積化はMしいのが現Xである。また、T晶性がまだ良くなく、さらなる高化が_要であり、15.9%までは実現できる見通しである。さらに、攵\術では、w定の^では業化には遠いため、H元^法をいてインラインでプロセス化し、現在14.2%くらいまでの試作ができた。
また、CIGS吸収層への新しい添加U御\術(ASTL法)の開発により、さまざまなフレキシブル基による高効率化にも成功した。基材料には、セラミックスやチタン箔を定し、最高効率17.7%を達成した。
2.4 ~機U陵枦澱
~機U陵枦澱咾蓮Wくて、~単にできるのがjきなメリットである。~機Uには、下記の2|類がある。
1:色素\感陵枦澱咫DSSC):光化学反応と]の中をイオンが流れる現をW。]れなどの敢が要。
2:w型薄膜陵枦澱咫Д轡螢灰鵑汎瑛佑pn接合が発電。~機ELと類瑤靴帥~機半導デバイスのk|。
~機薄膜陵枦澱咾猟稱子は、^法がk般的である。k機▲櫂螢沺偲鰭Uは、スピンコートで溶]を塗布して]する。
~機U陵枦澱咾徴は、無機Uに比べ電圧はやや劣るが、電流も常に少ない。今後は、この電流量をHくするのが_要な研|課である。現在の変換効率は、5.3%が世c最高であり、10%を`指している。
電流を\やすためには、光の吸収覦茲魍判jすることが要である。現Xのp型~機半導は、n層とp層の間だけが吸収層となっているが、このpとn層の間に共^層(i層)を導入することにより、pn接合C積を\jさせている。i層の膜厚と変換効率の間には厚さ依T性がT在する。i層を厚くすると、L陥の中をトラップしてしまうため、キャリアがHく発擇垢襪、中でこのL陥にトラップされキャリアがxんでしまう。今後は、i層のを屬欧襪海箸_要である。
<高分子U陵枦澱咫P3HT:PCBM)>
現Xは、耐久性が問である。スピン50時間で、変換効率は低下するが、もうk度X処理を施すと変換効率は元に戻る性がある。変換効率の低下は分子の劣化ではなく、トラップの影xではないかと言われている。
<~機U陵枦澱咾里泙箸瓠
~機U陵枦澱咾蓮△気蕕覆觜盡率化と耐久性の向屬課である。これらを解する桔,箸靴討蓮▲織鵐妊牴修kつの妓性として、効率は低いが進めている。また、セルの性は、デバイス構]にjきく依Tするため、~機分子ごとに最適なデバイス構]を開発することが_要である。~機ELの作\術がW可Δ覆燭瓠▲汽屮皀献紂璽覯重も進めていく。
<色素\感陵枦澱咫
色素\感陵枦澱咾蓮▲好撻トル覦茲鮖\やし性Δ屬欧討い襦シャープで変換効率11.1%を出している。問は、jC積化のモジュール形成\術や、ルテニウムの@源的な問、セルの長期信頼性の向屬任△襦
3.まとめ
陵杆発電のk層の普及のためには、現在主流であるT晶シリコン陵枦澱咾龍\術革新はもとより、Q|新型陵枦澱咾塁x場への投入が不可Lである。また、電池メーカーのみならず、メーカー、材料メーカーなどの幅広い業cのサポートが不可Lである。