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第7章

2022/10/4

太陽電池

半導体テクノロジーは、これまでの私たちの暮らしを豊かにしてきた高度情報化社会の基盤である。しかし、豊かな暮らしとは裏腹に、地球温暖化、異常気象、資源枯渇の問題が顕在化してきており、クリーンエネルギーへの期待は切羽詰まったものになっている。筆者
もかつてはパワー半導体や LSI 技術の開発に従事してきたが、残りの研究者人生をローコ
スト太陽電池の開発にささげるつもりである。半導体の将来を考えるときに、豊かさだけではない、クリーンエネルギーとしての太陽電池の技術を抜きにしては語れない。

1．太陽電池への期待から高い評価を得ている。しかし、その達成

地球気温の上昇による氷河の消失、海面のためには今以上の高い技術革新を必要と温度の変動による暖冬、冷夏、そして局地的している。省エネルギーや燃料電池開発、水な豪雨、台風、ハリケーンの凶暴化など、地素エネルギーなどの研究開発は大変重要で

球温暖化がもたらした異常気象のニュースあるが、地表に燦燦と降りそそぐ太陽光をは枚挙にいとまがないほど日常化している。

エネルギー源とした太陽光発電の進展にも筆者が在住している米沢市、この自然豊か

っとも大きな期待が寄せられている。

な町においても決して無縁な話ではない。

そもそも太陽電池がこの世に登場したの2007 年 8 月に記録した猛暑や、ここ三年連は 1954 年のことであり、それはアメリカの続した暖冬は明らかに異常と言わねばなら

ベル研究所で発明されたシリコン太陽電池ない。昨年はとうとう米沢市内の道路は根である。シリコン太陽電池はこれまでの 60

雪になることはなく、黒いアスファルトを年近くの歴史のなかで、持続的な改良がな

冬の間じゅうみることができた。例年であされ、現在発電効率は 24.5％に達している。

れば米沢市は積雪 2ｍを越す豪雪地帯であ性能向上では熟成に入った感があるが、どる。住民にとって厄介ものである雪も、これ

この家庭にでもあるというものではなく、だけ降らないと返って地球の将来に不安を普及という点ではいまひとつの状況である。

感じるものである。

太陽電池の普及を阻んでいるのは、パネル

このような地球温暖化は、地球規模でのコストの高さである。現在でも家庭用太陽経済発展に伴う化石燃料の燃焼による CO2

電池パネルはたたみ一畳で 50 万円近くの排出量の増加が原因であることは疑いもな

値段をしており、誰しもが手軽に家庭に取いところである。温暖化を少しでも食い止り付けられる状況ではない。いかに安くてめるべく、政府は昨年１２月にデンマーク

性能のよい太陽電池パネルを作るかが課題のコペンハーゲンで開かれた第１５回気候である。そのためにも低コスト材料を使っ変動枠組条約締結国際会議（COP１５）で、て高性能な太陽電池を実現するための研究

世界的な規模での協調した排出抑制策が議開発が進められている。本テキストでは一論される中、わが国では 2020 年までに般でも理解していただけるよう太陽電池の1990 年比で 25％の削減目標を掲げ、世界仕組みをわかりやすく解説し、低コスト高
96

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電子性能化のための要素技術を紹介する。地球池

n 型半導体p 型半導体ホール

環境浄化のために電気電子、化学、機械などのさまざまな分野から参加できることを多くの若い方に理解してもらえれば幸いである。

2．太陽電池の基礎

ｎ型半導体は電子を多数含み、ｐ型半導体はホールを多数含んでいる。

～Si 太陽電池～

接合面

図 1 に Si 太陽電池の発電の仕組みを表してみた。Si 太陽電池はもともとｎ型半導体とｐ型半導体が接合されたものである。ｎ型半導体は負の電荷をもつ電子（自由電子）を多く含む半導体であり、逆にｐ型半導体
は正の電荷をもつホールを多く含む半導体

ｎ型半導体とｐ型半導体を接合させると、接合面から電子、ホールが反対側の半導体ににじみ出る（拡散）。

である。両者を互いに接合させると、接合面空乏層ができて、接合面から電子とホールがそれぞれ反対側の半導体ににじみ出る。これを電界

拡散という。ホールがｎ型半導体に入ると電子と一緒になって消失し、同様に電子はｐ型半導体に入るとホールと一緒になって拡散した電子とホールが消失して、接合面付近キャリアのない空乏層と呼ばれる領域ができる。この領域には内蔵電界と呼ばれる電界がかかっている。

消失する。したがって、接合すると、空乏層と呼ばれる電子もホールもいない領域が接光合面付近にできる。この空乏層には、電子やホールがいないために生じるドーピングイ
オン、すなわちドーピング原子がイオン化された状態でできた固定電荷の影響で電界が発生し、これを内蔵電界と呼ぶ。空乏層にピカッ

太陽光が入ると、光が半導体に吸収されて電子とホールができ、それぞれが内蔵電界で押し出されて、外部回路へ電流として流される。光を受けて電流が流れるこの仕組
電流が流れるみが発電と呼ばれている。
このような接合による Si 太陽電池では、１接合あたり太陽光の強度にもよるが、出力開放状態で、約 0.6V の電圧がでる。また

空乏層に太陽光が入ると、光が半導体に吸収されて電子とホールができる。電子とホールが電界で押し出されて、電流として外部に流れる。

図1

短絡時の電流（とり出せる最大の電流）は、
1cm2 あたり 30mA 程度である。単 3 型電97

Si 太陽電池の発電の仕組み

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３.バンド図での太陽電池動作の理解

太陽光

櫛形電極

Si 太陽電池を例にとってそのバンドを示
反射
防止膜
ｎ型 Si
i 型 Siす。要はこれは pin ダイオードであり、バンド図を示すと、図 4 のようになる。
n
光

電子

ｐ型 Si
銀電極
図2

i

p

励起

Si 太陽電池の構成
ホール

図4

pin 型太陽電池のバンドの説明図

光が pin 層の i 層のところで吸収されると、光励起により電子とホールが発生する。こ図3

れらキャリアは i 層内の内蔵電界により、Si 単結晶電池（実物）

電荷分離され、外部回路へ電流として流しと同じ出力を出すには、単純計算で 5cm2出される。この図からわかるように、空乏層程度の太陽電池を 3 つ直列にすればよいことなっている i 層で、再結合が起こると発とになる。

電電流にならない。i 層での再結合をできる

実際の太陽電池は、図２に示すようにいだけ低く抑える、すなわち少数キャリアのくつかの層からなっている。表面には太陽

ライフタイムを抑えることが、発電電流の光をよく透過して効果的に発電させるため増強につながる。また i 層でのキャリアのに、櫛形電極が設けられている。その下に、移動をスムーズにすることも発電電流の増反射防止膜と呼ばれる太陽光の反射を抑え

強につながる。つまりキャリア移動度を高て効率的に太陽電池内に光を取り込むためめることが重要である。発電層として働く iの膜が形成されている。さらにその下にｎ層のライフタイムを長くして、キャリア移型 Si、i 型 Si、ｐ型 Si の層があり、一番下

動度を高めることが発電効率を高めるために銀の電極層が形成されている。i 層とは太に重要である。

陽電池の世界だけでよばれるロードープの半導体層のことであり、1015/cm3 以下の低４．Si 太陽電池の設計例

濃度層のことをいう。ｎ型 Si と p 型 Si の

前節で Si 太陽電池の具体的な構造を示し

間に i 型 Si を設けるのは、これによって空たが、各層構造の具体的な設計例をここで乏層の領域が拡大し、出力電流の増強に効紹介したい。ここでの数値は著者研究室で果があるからである。

試作されている太陽電池の代表的な構造例である。ここでの構造では反射防止膜なし
で 10％程度の発電効率を記録している。表98

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2022/10/4層のｎ層はできるだけ薄くすることで、太いと内蔵電位が低下するので、薄くてもで陽光を i 層にできる限り高い強度で送り届きる限りの高濃度のドーピングを施す。i 層ける。但しｎ型層のドーパント量がすくなはできるだけ厚い方が望ましいが、50μm

表1あれば十分である。裏面にはオーミック電結晶 Si 太陽電池の構造例

表
面
電
極
n層

i層

p層

裏
面
電
極

Ti 0.01μm / Al 0.2μm
不活性ガス中焼結 400℃-1h

極と光反射機能をかねて、Al 層を裏面に形成する。Al は極めて光反射特性に優れる電極であり、裏面にあることで、光反射鏡と膜厚 0.02~0.1μm
ドーパント P
ドーピング濃度 5×1019/cm3
抵抗率 0.01Ωcm

して働き、i 層から漏れてくる光を折り返して、短絡電流を増強する働きがある。さらに最下面に銀電極を置くのは、銀ペーストで膜厚 50~400μm
ドーパント B
ドーピング濃度 1～5×1014/cm3
抵抗率 10Ωcm
膜厚 1μm
ドーパント B
ドーピング濃度 1×1018/cm3
抵抗率 0.1Ωcm

基材の配線パターンに電気接触をとるためである。

５.さまざまな太陽電池
表１に主要な太陽電池とその特徴を列挙してみた。現在最も普及が進んでいるのが、

Al 0.2μｍ / 銀ペーストプリント膜
不活性ガス中焼結 200℃-1h

Si 太陽電池である。Si 太陽電池には、基板の種類に応じて様々なものがある。もっとも発電効率のよいものは、LSI や IC を形成

表 2 太陽電池の種類と特徴
分類

発電部の構成特徴

Si 結晶電池

n 型 Si/ i 型 Si/p 型 Si の積層
構造

多結晶電池

n 型 Si/ i 型 Si/p 型 Si の積層構造

アモルファス電池

n 型 Si/ i 型 Si/p 型 Si の積層構造

タンデム太陽電池

n 型 Si/ i 型 Si/p 型 Si の２層積層構造

化合物太陽電池

n 型半導体/ i 型半導体/p 型半導体の積層構造

色素増感太陽電池

色素を沈着させた酸化チタン
電極とプラチナ電極を用いた
湿式電池

有機太陽電池ｐ型有機半導体とフラーレン混在膜に、仕事関数の異なる金属を接合させた構造

IC の主材料である Si ウェハを使って製造される。コストは高いが、効率も高い。
原料コストを抑えるために、Si ウェハの製造途
中で出てくるキャスト Si を用いて製造される。屋
根用太陽電池としてもっとも普及している。現在
原料不足により製造コストが高いのが難点
Si 系ガスを材料にプラズマ技術を用いてガラス
基板に Si アモルファス膜を形成したものを電池として利用。上記電池に比べコストは低いが、劣化の問題がある。電卓や時計に用いられる。
2 種類の波長特性の異なる電池を直列に接続
して、発電電圧を高めた電池。
GaAs などの化合物半導体を用いた電池で、発電効率は高くなるが、原材料コストが非常に高額。人工衛星など価格が問題にならない用途に使用。
プラチナ以外は非常に低コストな素材で構成。
クリーンルームを使わず比較的簡単な設備で、高い効率の電池が製作できる。安定性が難点。
製造コストが安く、比較的低温で形成できるた
め、フレキシブルなプラスティック素材上に形成できる。インクジェットプリンター活用による低コスト形成の面で大いに期待される。

99

典型的な発電効率
15-25％

13-18％

5-8％

11％

30％

5-10％

2-6%

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するのにつかわれる単結晶ウェハを用いて上の効率も報告されている。上述した太陽形成した単結晶電池である。これは発電効

電池の殆どが、より効率を高める方向で開率として 20％を超えるが、非常に値段が高発がすすめられたものであるが、一方でよく、屋根上のパネルとしてはほとんど使わ

りローコストの面で注目されている電池もれておらず、特殊用途、実験用、小面積でよある。その一つが色素増感太陽電池である。

い模型玩具に使われている。一方、民生用にこれは作り方が非常に簡便であり、理科教

使われる電力電池のほとんどは多結晶 Si 太室の題材にもなったりする。クリーンルー

陽電池である。多結晶 Si は Si の結晶粒がムなどの特殊設備も必要とせずに、簡単に固まった材料であり、図 5 にみられるよう

3～9％程度の効率を実現することができる。

に、外見ではヒビが入ったモザイクのよう

ただし、この電池は電解液を必要とし、液体な光沢をした材料であるが、単結晶を作るの劣化などで、性能が数ヶ月もたないのがのに必要な引き上げ法を省けるために、単難点である。安定性を確保するのが今後の結晶を材料とするよりは材料コストを抑え課題である。さらに最近、熱を帯びているのることができる。

が有機太陽電池である。これは導電性高分子とフラーレン分子の有機混合膜を種類の異なる金属で挟んだ構造をしており、ローコストな上に、製造温度が低く、耐熱性がさほどないプラスティックフィルム上にも形成可能で、ビニルシートのようなフレキシ
ブルな太陽電池とすることができる。砂漠や離島など難送電地域での電力確保に太陽電池シートをさっと広げて給電するなど、Si や化合物などの無機電池には実現し得ない用途が期待されている。有機太陽電池の効率競争は大変過熱しており、最近は８％を超えるものも報告されている。当面、実用

図 5 多結晶 Si 基板

化されているアモルファス Si の 8％の効率が目標であるが、性能の伸び率は特筆すべ

さらに、ガラス基板上にアモルファス Si

きものがあり、今後の開発の進展が期待さ

膜を薄膜として形成した太陽電池も製造される。

れている。これは、発電効率は単結晶、多結晶に比べ劣るが、パネルコストを抑えられ、

６．太陽光のスペクトル
太陽光は空気を通して、地表に届くが、地ヨーロッパなどで普及が進んでいる。
このほか、
GaAs などの化合物半導体を用い

表に対して、垂直に光が届いたとき、すなわ

た太陽電池や、CIS 電池と呼ばれる化合物

ち雲ひとつない快晴で、赤道付近で太陽が電池も発表され、20％ちかく、またそれ以真上にあるときの、地表での太陽光のスペ
100Internet 版

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６.

クトルをエアマス１．０（AM1.0）と呼ぶ。
実際には日本や欧米などの多くの国が存在

太陽電池の効率太陽電池の性能指数としてもっとも重要する中緯度地帯での実用を想定して、なのが発電効率である。発電効率ηはAM1.0 の光に対して、空気層を 1.5 倍通過η=

して届く光のスペクトルをエアマス 1.5

太陽電池からの出力× 100％
太陽電池に入った太陽エネルギー（AM1.5）と呼び、太陽電池の性能評価にであらわされる。わが国が位置する緯度 35

広く使われている。
図 6 に AM1.5 の太陽光のスペクトルを～40°付近では真夏の快晴時に１cm2 あた

グラフとして示す。スペクトルをみるとり 100ｍW のエネルギーが地表に降りそそ

500nm 付近（緑）で光強度が最大になる。

ぐ。このとき１cm2 の大きさの太陽電池を

そもそも太陽の表面温度は 6000K である設置したとして、発電する電力が 10mW だが、6000K の黒体輻射のスペクトルと概形とすると、発電効率は 10％ということになが一致する。スペクトルにおいて、ところどる。通常結晶型の Si 太陽電池の発電効率は

ころ落ち込みが見えるが、これは空気中の10 から 20％程度である。この数字だけをと

酸素、水分、CO2 などの吸収のためである。

らえると、見かけ上大部分のエネルギーは

太陽光の光をプリズムで７色の光の帯とし回収できないことになるが、たとえばディて映し出すと、空気成分による吸収の部分

ーゼル発電機などは燃料のエネルギーに対は暗線として映し出されるが、その暗線のして回収できるエネルギーはたかだか 5％ことを発見者にちなんで、フラウンホーフ

程度である。植物の光合成は太陽光エネル

ァー線と呼ぶ。

ギーをでんぷんなどの化学エネルギーに変全スペクトル領域を積分すると、１kW/m2、える一種のエネルギー変換装置であるが、mW/cm になる。つまり、1 m2 当たり 1

この効率は 1％よりはるかに小さい。これkW、1 cm2 当たり 0.1 W のエネルギーが太らとの単純比較は無謀かもしれないが、陽光として地上に降り注いでいることにな

我々の身の回りのエネルギー変換機構と比る。

較しても、遜色がない非常に高い効率を太100

2

陽電池は有しているといえる。

７．太陽電池の出力特性の見方
図 7 に太陽電池の出力特性測定の模式図を示す。太陽電池に模擬太陽光を照射し、太陽電池の正極と負極に可変抵抗器（負荷）を接続し、可変抵抗器に流れる電流が出力電
流として電流計で評価される。また可変抵
図6

AM1.5 太陽光のスペクトル

抗器の両端の電圧が出力電圧であり、電圧計で測定する。可変抵抗器を非常に大きい
値から０Ωまで変化させて、出力電圧と電101

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流の関係を図示する。これが出力特性とな（短絡電流密度）、最大出せる電圧が開放電る。抵抗が非常に大きいときの電圧が開放圧となるが、最大とりだせる電力は短絡電電圧といい、しばしば Voc と標記される。

流（短絡電流密度）×開放電圧にはならな

抵抗器が０Ωのときの電流が短絡電流といい。太陽電池には直列抵抗や並列抵抗（シャい、Isc と標記される。開放電圧は太陽電池

ント抵抗）の影響で、出力特性の曲線は、０が出せる最大の電圧であり、短絡電流は太－短絡電流と０－開放電圧の作る長方形の陽電池がだせる最大の電流である。

内部を通る、すなわちその長方形の角を丸くしたような形となる。図 8 に示されるよ
うに、最大の発電電力は、最大発電点を頂点A＋とする特性線に内接する長方形の面積となる。

V

発電電力は、出力電圧×電流密度で表されるが、最大発電電力と短絡電流（短絡電流―密度）×開放電圧の比を形状因子（Fill
Factor:FF）という。
図7

発電特性の測定法の説明図

FF =Vmax ×Jmax
VOC ×Jsc(1)

図 8 に出力特性の例を示す。縦軸は出力

形状因子は、漏れ電流や直列抵抗の影響が電流を太陽電池の発電部分の表面積で割り直接現れる因子であり、製造工程の管理に算した電流密度で表示してある。電圧がゼ使われるほど重要な数値である。

ロのとき、すなわち Y 軸と特性線の交点が

８．太陽電池の等価回路と出力特性

短絡電流密度（Jsc）となる。また、電流密太陽電池はその種類にもよるが概して、度がゼロとなる X 軸と特性線の交点が開放

図 9 に示されるような、定電流源、並列ダ電圧になる。

イオード、直列抵抗（Rs）、並列抵抗（Rsh）の組み合わせで表記される。この回路において、出力電流は単位面積当たりの電流、すなわち電流密度で表され、単位は A/cm2 が用いられる。また、直列抵抗 Rs、並列抵抗
Rsh の単位は A・cm2 となる。電圧は V であるが、出力電力は、電流密度×電圧で表され、単位面積当たりの発電電力となるので、
単位 W/cm2 であらわされる。
図8

太陽電池の出力特性例

Rs

太陽電池の最大取れる電流は短絡電流102＋Internet 版

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数値解と実際に測定した V-I 特性を Rs、Rsh、A、ｎを変数としてフィッティングさ

Jsc

Rsh

せることで、n、Rs、Rsh を解析解として得Voutることができる。これら数値は太陽電池の製造品質を直接指し示すものであり、製造－
図9

開発段階では常にモニターされるべき指標である。Si 太陽電池であれば、Rs は１Ω

太陽電池の等価回路

cm2 以下、Rsh は 1kΩcm2 以上、ｎはでき
この等価回路で出力電圧特性はダイオード

るだけ１に近いことが望まれる。本来ならに流れる電流 Jd とすると、次の式を解くこ

これら数値はフィッティングによって求めとによって得られる。

られるべきであるが、簡易的には Voc 付近、qV

Jsc 付近の出力特性の傾きの逆数から求めJd = A �exp �nkTd� − 1�

(2)
(3)

とフィッティングによる精密解を比較する

V = Vd − R S J(4)と、簡易法では倍・半分の誤差が生じること

J = Jsc − Vd⁄Rsh − J𝑑𝑑

られる。ただ、著者の経験では、この簡易法をたびたび経験しており、近年ではパソコ(2)式はいわゆるダイオードの整流方程式で、 ンの計算力も上がったことから、極力フィｎは理想係数、A は定数である。これから、ッテングによる解析を行うこととしている。

J-V の関係式を数式解として解くことは不（もし読者から問い合わせがあれば、著者可能であるが、２分法などを用いて、数値的研究室で使用しているフィッティングツー

に解くことは容易である。図 10 に実際に数ルを提供しますので、お問い合わせくださ

値的に求めた出力特性例と実際の太陽電池

い。
）の出力特性にフィッティングさせた結果を

８．短絡電流示す。

筆者の経験であるが、短絡電流は何で決まるのかと学生に問うたところ、(1)式の FFの定義式を持ち出してきて、これで決まりますと答える学生がいた。実は、多くの半導体の教科書で短絡電流を決める因子について答えたものが少ない。学生の理解不足の原因に教材不足も一因にあるであろうが、初学者においては、太陽電池はなぜ光を吸収して電流ができるのか、根本に戻った理
図 10 数値的に求めた J-V 特性による太陽電池の発電特性のフィッティング例 点が実際の測定結果、線がコンピュータをつかって計算した例。

解を心掛けてほしいと思う。

103

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J

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Jsc 付近の傾きの逆数が Rsh

９．開放電圧

非常に粗い近似ですがよくつかわれ
ています。

Jsc

開放電圧の決まる要因は電池の種類によって異なるが、Si 太陽電池などの pn 接合
電池では内蔵電位（拡散電位）によってきまVoc 付近の傾きの逆数が Rs

ると考えてよい。開放電圧は、正バイアスをかけたときに、キャリアを押し出す力とな

Voc
図 11

る内蔵電界が消失して、全く電流がとりだVせなくなるときのバイアス値が開放電圧に

Rs、Rsh の簡易的な見積もり方相当する。

太陽電池においては、発電層で光が吸収され、電子とホールが発生して取り出され内蔵電位（拡散電位）る。１光子の吸収において、電子とホールがひとつずつ生成される。それが失われずに伝導帯外にでていくことで、短絡電流となる。つまフェルミレベルり、短絡電流は、太陽電池での発電層（Si 太
陽電池では空乏層部分）で吸収された単位

価電子帯

空乏層

時間当たりのフォトン数に電子の電荷を乗図 12

じ、再結合などの要因で失われるため 1 より低くなった捕集確率 Pc を掛けて短絡電流

ｐｎ接合のバンド図による表現

Si の pn 接合の太陽電池では内蔵電位φbiとなる。

は3000nm

Jsc = q �

250nm

Pc(λ)S(λ)Abs(λ)
dλ(hc⁄λ)

∅bi =

KT
ｑ

N N

log � na 2d �i(6)で与えられる。通常 0.7V 程度になるが、実(5)際の電池は 0.5~0.6 程度となる。内蔵電位

この式において、ｑは電子の電荷、S(λ)はより低い値になるのは、太陽電池の内部に太陽光の波長λにおける電力、Abs(λ)は太存在するダイオードが正バイアスで ON 状

陽電池の発電領域での光吸収率となる。こ態になり、そちらを経由して流れることで、の式を見渡してみると、光吸収率を高める
こと、発電キャリアを失活させないことが、外に電流が取り出せなくなるためである。

短絡電流増強の鍵となる。Si 太陽電池など

１０．直列抵抗のｐｎ接合による電池においては、キャリ

太陽光が太陽電池に入射して、発電層でアの再結合が失活要因となる。空乏層領域

吸収されると、電荷分離されて最終的にはでの不純物の混入や欠陥の発生を抑えて、電極にたどりつき、発電電流となる。キャリ

少数キャリアのライフタイムを増大させる

ア輸送の途中経路において、電気抵抗となことが重要である。

る要素の足し合わせが、直列抵抗となると考えてよい。図 13 に Si 太陽電池における104

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１１．並列抵抗

電流経路と途中の抵抗要因について図解してみた。様々な要素が直列抵抗になると考並列抵抗は、太陽電池の漏れ電流によるえてよい。電子は、途中の半導体層の抵抗、抵抗成分である。太陽電池の正極と負極のそしてｎ型層を横に走る部分の抵抗、櫛形配線の絶縁性にかかわる部分で、電極の絶電極と半導体層との接触抵抗（コンタクト

縁性が悪いと、並列抵抗は低下し、発電性能

抵抗）などがあり、これら要因は全て直列抵としての形状因子や発電効率の劣化をもた抗に寄与する。ホールの場合も、ｐ型半導体

らす。このほか、太陽電池の発電層での漏れ層の抵抗、裏面電極との接触抵抗が直列抵電流が多いと並列抵抗の低下につながる。

抗として寄与する。また、配線自体の抵抗もSi 太陽電池の場合、p-i-n 層に不純物や欠陥

直列抵抗要因である。そのため、Si 太陽電が入ると並列抵抗の低下につながる。また、池では抵抗率の低い銀を電極とすることが特に問題になりやすい要因として p/i 接合多い。また太陽電池の光入射面には、透明導界面、i/n 接合界面の空気への露出部分は電電膜を積層することがあるが、直列抵抗を

界集中部分であり、この部分が化学変化をさげようとして、透明導電膜の抵抗率をさ起こし、金属汚染を受けることで、絶縁性がげると、透明性が劣化する。すなわち直列抵

劣化し並列抵抗の劣化につながる。太陽電

抗と発電電流はトレードオフとなっており、池では、この接合界面の空気への露出分は、透明導電膜の世界では大きな技術課題とな

レーザースクライブ法で形成されるが、形っている。Si 太陽電池では製造技術の進歩

成後劣化を受けないように、SiO2 やポリイのおかげで直列抵抗はあまり問題にはならミドなどで被覆するなどの対策がとられる。

ないが、有機太陽電池ではまだまだ有機層の抵抗率が高く、直列抵抗の抑制がおおきな課題となっている。

櫛形電極（負極）

接合界面の空気露出部分n型
光櫛形電極（負極）

i型
n型
p型
電子

i型

裏面電極（正極）

ホール

図 14

p型
裏面電極（正極）Si 太陽電池の接合界面の空気露出部分

１２．理想係数（ｎ値）
太陽電池の V-I 特性で得られるｎ値は、

図 13 発電層で発生したキャリアの電極に収集されるまでの経路の図解

太陽電池を pin ダイオードとみなしたときの暗時の V-I 特性から得られる理想係数とほぼ一致する。理想係数は、Si 太陽電池で105

Internet 版

2022/10/4は通常 1 から 2 の間である。理想係数はｐも、短絡電流を劣化させないために、太陽電iｎ接合界面の結晶性などの品質で影響を

池裏面に反射鏡となる金属膜を形成し、太受ける数値であり、理想では１、結晶性が悪

陽電池を通過してきた光を折り返して、発く間接再結合が支配的になると２に近い数電層に戻して、発電電流を高める方法がと値をとる。この数値を抽出することによっられる。また太陽電池の光入射面を、光の波て、太陽電池の品質の良しあし、特にドーピ長よりやや大きいサイズで凹凸をつけた透

ングでの品質の指標にすることができる。

明導電膜で被覆すると、光が曲がって発電

理想係数は 1 に近いほど理想的な pn 接層（おもに i 型半導体層）に入り、光路長が合となっていることを示すが、太陽電池性長くなり、これも短絡電流の増強につなが能としては必ずしも 1 に近い方がよいともる。この凹凸構造をテクスチャーと呼んで限らない。アモルファス Si 太陽電池のよういる。以上のような、光の反射や散乱によっな薄膜型電池においては、しばしば非常にて発電層を通る光の量を増やす技術を光閉

高いｎ値を記録することがあるが、むしろじ込めと呼ぶ。

そちらの方が性能が高い場合もある。Si 太
陽電池のような pin 接合電池以外、色素増

太陽光

感や有機太陽電池などでも理想係数が抽出されるが、その場合 2 を超える数字も抽出される。著者もこの現象には大変興味を持

テクスチャ
n型

っており、ショットキー接触で界面絶縁層

i型があると理想係数は高い数字をとることがp型

知られており、同様のメカニズムで説明で反射金属

きるのではないかと考えているが、結論を図 15得るにはさらなる研究が必要である。

１３．光閉じ込め技術とテクスチャー

Si 太陽電池の光閉じ込め効果

Si 太陽電池のように pin 接合の太陽電池

１４.低コスト Si 太陽電池をめぐる激しい競争においては、i 層をできるだけ厚く形成し、

クリーンエネルギーとしての太陽電池へ

空乏層領域を広げることで、短絡電流を増の期待がますます高まる中、主導する Si 太

やしたいところではあるが、近年原材料の陽電池においても激しい開発競争が繰り広高騰もあり、できるだけ薄い膜で太陽電池げられている。Si 太陽電池における低コスを作ることが望まれている。また Si 薄膜電ト化競争は 1990 年代から始まるが、競争当池においては、ガラス基板に半導体 Si をプ

初はソーラーグレード Si と呼ばれる太陽

ラズマ CVD などで堆積するが、薄膜堆積に電池に供する Si 材料が高コストであること

おいては、できるだけ薄い方が製膜にかかから、アモルファス Si や微結晶 Si といっ

わる時間を抑えられて、量産性をたかめる

たプラズマ CVD などで形成される Si 膜をことにつながる。このように薄膜において利用した電池の開発がすすめられた。この106Internet 版

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ような薄膜 Si 電池は Si の使用量が少なく競争は、脱シーメンス法でいかにソーラー

低コスト電池に類するものであるが、近年グレードを達成するかにある。表３の不純多結晶 Si の製造コストが下がり、コストメ

物表なかで、もっともとりにくいのがドー

リットが薄らいでいるのも事実である。

パントである P と B である。このほかの金表１にソーラーグレード Si の要求純度表

属は一方向性凝固法を用いれば容易に除去を示す。ここで示される数値は著者の研究可能である。一方向性凝固は図に示される室で経験したさまざまな不純物を含有する

ように、スライドヒーターを使って Si イン

Si 基板での電池試作からこの程度の純度にゴットを融解させ、Si 融液と固体 Si とで不抑えられれば、効率 10％を超えることがで純物濃度に格差ができることで、界面に不きるであろうとする推定基準である。

純物を集めるもので、スライドヒーターでSi インゴット全部を走査することで、イン表３

著者が考えるソーラーグレード Si の要求

ゴットの端面に不純物を集めることができる。表 4 に示されるように、固液間での不

純度
金属 Si
(PPM)

不純物

ドーパ
ント

ライフ
タイム
キラー

ソーラー
グレード Si
目標(PPM)

純物濃度差を比率で表した偏析係数ができるだけ１より高いか、0 に近いとが効率よAl

1500～4000<0.01

く不純物を集めることができる。この方法

B

40～80

<0.01

P

20～50

<0.01

では、P と B の偏析係数が１に近く、すな

Ti

160～2500.001

Fe2000～3000

0.001

Cr

50～2000.1

争は大変激烈であり、亜鉛還元法、プラズマ

Ni

30～90

<0.0001

溶射法、流動床法などが考案されている。著

Cu

統計無し

<0.0001

者研究室でも、P と B の還元技術を開発中

わち偏析しにくく除去も難しい。一方向性凝固以外でも、脱シーメンス法をめぐる競である。
ソーラーグレード Si を製造するには、まず原料となる珪石（おもに SiO2）を炭素な
どのコークスと一緒に高温燃焼させて、酸素を還元して金属 Si を生産する。金属 Siには出発となる材料にもよるが、様々な不純物が含まれ、これを除去するためにシー
融液 Si

メンス法が用いられる。これは、Si を一旦
SiCl4 などの塩化物にして、繰り返し蒸留を

スライド
ヒーター

行い、これを電気熱分解により、Si として再析出させるものである。この方法は広く固体 Si用いられているが、使用電力が大変大きく、最終的な Si のコストの殆どが電気代で占められる。したがって、低コスト Si のコスト

図 16

107

一方向性凝固による不純物除去

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表４2022/10/4

Si 融液／固体での偏析係数
不純物

求められている。

P

偏析係数Cs/CL（固体濃度/液体濃度）
0.35

B

0.9

Al

0.004

Ga

0.1

Cu

4×10-4

Ta

10-7

Sb

0.04

Sn

0.02

凹面鏡

In

5×10-4＋極－極

太陽光

ボール Sinp

図 17

ボール Si 太陽電池の概念図

Si をめぐる競争として最近話題なのがボール Si 太陽電池である。これは Si の融液

１５．表面パッシベーション

をポタポタと滴（しずく）として垂らすと、太陽電池の高効率化のためには、光をで空気中で凝固し、直径 1-2mm の粒状の Si

きるだけロスすることなく発電層に送り届

粒ができあがるのだが、これを太陽電池とける必要がある。Si 太陽電池などの pin 構

して使用したものである。表層に偏析した造をもつ電池においては、表層のｎ層ある

金属不純物を化学エッチングで除去し、こいはｐ層をできるだけ薄くして、そこでのの表面をｎ型でドーピングして、皮状にｐ

光のロスを少なくする工夫がとられる。表ｎ接合を形成する。ボール Si 太陽電池は、層のドーピング層が薄くなると、光吸収で

図 17 のように凹面鏡の上におかれ、光を集生じたエキシトン（電子ホール対）が表面でめてボールの中で発電する。一つの電池は再結合を起こしやすくなり、それが短絡電

数ミリサイズと大変小さいが、これをびっ流を抑えることになる。元来表面では、ダン

しりと基材の上に敷き詰めて使用する。Si

グリングボンドや結晶欠陥、バンドの不連の使用量がすくなく、かつ液滴を固めると続性から高密度の再結合準位があり、これきに、一方向性凝固を自動的に行うこととが再結合の原因となっている。表層だけ特なり、材料コストを大幅に抑えることがで別にライフタイムが短くなっていると考えきる。実際には、電池製造に Si 粒を選別した方が良い。

てロボット実装させるための専用機械が必n要である。現状、効率は数％と聞いている。

i

p

光 電子

このような奇抜な構造の太陽電池が現れる
背景は、なんとかして低コストを実現した

再結合
励起

いという市場の要求が強いことの表れである。見てのとおりこの分野は。電子工学のみ

ホール
図 18

ならず、多種多様な分野からのアイデアが108

表層の薄い pin 型太陽電池

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Si 太陽電池では、表層に ITO などの透明バンドギャップを拡大させたアモルファス

導電膜が置かれているが、表層での再結合

SiC 層をいれるが、これもワイドギャップ層を抑えるために、SiO2 などで電極部分以外の利用例の一つである。ワイドギャップ化を被覆して再結合を抑える工夫がされていはヘテロ接合の応用例であるが、過度なワる。これをパッシベーションと呼ぶ。SiO2

イドギャップ化は、ドーピングの活性化をはゲート酸化膜にも使われるように表面再妨げ、返って開放電圧を損なうことにもつ結合準位密度を低く抑えることが可能であながる。実用にはバンドギャップの最適化る。

が必要である。

１６．ワイドギャップ層の利用

１７.

色素増感太陽電池

pin 型太陽電池の多くが、表面のドーピン色素増感太陽電池は数十 nm 程度の微粒グ層をワイドギャップ化する工夫がされて子酸化チタン（図 20）を焼結して膜としたいる。これは、表層のドーピング層をワイド

酸化チタン膜にルテニウム色素を沈着させギャップ化することで、ドーピング層でのて、電界液を浸透させ、白金などの触媒電極

光吸収を抑え、効率よく i 層へ光を導くこを接着させた構造をしている。図 21 に最もとが可能となる。

実績のあるに色素である、N3 および N719
色素の分子構造を示す。この分子において、Ru 原子で光吸収が起き、酸化チタンが負極、ni

白金が正極として作用する。

p

電子
励起
光
ホール

図 19

ワイドギャップｎ層を用いた pin 型

太陽電池のバンド図
図 20

微粒子酸化チタンの電子顕微鏡写真

図 21

代表的な増感色素

表層をワイドギャップ化することは内蔵電位を高めることにもつながり、開放電圧を向上させることができる。ｐ型 Si 結晶基板にワイドギャップであるｎ型アモルファ
ス Si 層をつけたＨＩＴ型太陽電池もワイド
ギャップ層を用いた電池の一つである。ア
モルファス Si 太陽電池では、i 層にアモル
ファス Si、表層のｐ層に炭素を混入させて
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図 22 に色素増感太陽電池の模式図とバンド図を示す。ルテニウム色素で光を吸収す
ると電子とホールができ、
電子は LUMO(最低空軌道)を通って、酸化チタン電極に渡され、ホールは HOMO（最高被占軌道）を通って、電界液であるヨウ素イオンを酸化して、三ヨウ素イオンを生成する。三ヨウ素イ
オンは白金で還元され、ヨウ素イオンに戻る。色素増感太陽電池の開放電圧は、酸化チタンのフェルミレベルと、ヨウ素電界液の図 23

酸化還元電位の差になると言われており、

色素増感太陽電池の説明図

0.8V 程度の電圧が期待できる。色素増感太陽電池の効率は、発明者であるグレッツェ

ことができるが、細かな調整については適ルによる N719 を使った 11.2％が実証効率

当な表現に留められている。とくにペース

として最高例の一つである。

トの調剤法、焼結方法、色素溶媒の作り方は

図 24 に色素増感太陽電池の実験用サン

かなりあいまいなので注意が必要である。

プルの製作工程を図解してある。製造方法

そのまま作っても 3％も出ないであろう。

はいたってシンプルで特別な装置を必要と著者も色素増感太陽電池の研究を始めて 6

しないが、10％を出そうとすると様々な工年近くになるが、開始当初は 1％程度であ夫調整が必要である。色素増感太陽電池のったが、10％近い効率を出せるようになる

製作工程はインターネットでも簡単に見る

まで 5 年かかった。競争の厳しい世界であ図 24

色素増感太陽電池の製作工程

110

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るので、各研究機関からもノウハウの公開はほとんどされていないようである。
注）著者は、できるだけ多くの方が太陽電池の開発に参加していただきたいという信念から、著者研究室のプロセスは論文等でできる限り開示するよう努めている。ノウハウに類する部分も可能な限り論文に記述している。
読者の方も必要であれば相談いただきたい。

図 25

フレキシブル巻取り型電池

１６．有機太陽電池
近年もっとも有機エレクトロニクス研究体として一般的に Poly-3hexylthiophene

者を駆り立てているテーマが有機太陽電池（P3HT）が用いられ、ｎ型有機半導体としてである。有機太陽電池は発電層そのものがPCBM などのフラーレン誘導体が用いられる。

有機物であるため低コストであり、柔軟性（図 27）に富むので、フィルム上に形成することが発電機構を図 26 を用いて説明する。太陽

でき、フレキシブル化が可能である。太陽電

光は P3HT で吸収されるとすると、その場で池にとって、このフレキシブル化の意義は電子とホールの対、すなわち励起子（エキシ

大変大きい。太陽電池パネルは通常屋外にトン）が形成される。この励起子は拡散によ設置されるが、台風でも飛ばされない頑強り、P3HT と PCBM 界面に到達すると、わずかなフレームが必要である。このフレーム代にできた界面での電界により電荷分離されはバカにならない。Si 太陽電池では１kWる。P3HT 層でホールが、PCBM 層で電子が輸モジュールで現在数十万円から百万円近く送される。負荷をつなぐと、正極の ITO かするが、セル自体(太陽電池基板)の値段はそら負荷をとして負極の Al に電流が流れる。

の 1/4 である。残りはフレーム代であり、以上が有機太陽電池の発電である。

設置工事費用、さらにエレクトロニクス代である。有機太陽電池はフレキシブルという低コスト化での大きなメリットを有して

正極

いる。
ITO

有機太陽電池の模式図を図 26 に示す。こ

負極

P3HT
光吸収

れは電子を供与するドナー性分子であるｐe
励起子型有機半導体と電子を受容する n 型有機半

ｈ

PCBM
電荷分離
e
ｈ
拡散

導体を接触させて異なる仕事関数の金属同図 26

士で挟んだ構造となっている。
p 型有機半導111

有機太陽電池の模式図

Al

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P3HT

実際の有機太陽電池では、ドナー性分子

PCBMとアクセプタ分子の接触面積を高めるた
め、バルクヘテロ型とよばれる両分子を混ぜて、適度に加熱処理をして微結晶の混在状態とした発電層とする。このバルクヘテ
ロ構造は、この分野ではブレークスルーで

図 27

P3HT と PCBM の分子構造あり、従来の層状電池に比べ、いっきに性能向上をもたらした。発電効率は日進月歩

ITO
太陽光

P3HT
LUMO

HOMO

e

PCBM

であるが、2010 年現在 8％近い効率が報Al告されている。高効率を出すためには、この微結晶相をどう作るかが重要であり、有機層のアニールや乾燥などにおいて、細やかな条件探索が必要である。図 30 に著者

h

研究室の実験で使用している試作工程を図
図 28

解した。

バンド図としての有機太陽電池の理解

図 28 にバンド図としての有機太陽電池の

正極

有機発電層

負極

説明図を示す。P3HT で光が吸収されると、電子とホールが発生し、P3HT と PCBM 界

Al

ITO

面で電荷分離が起こり、ホールは P3HT のHOMO 準 位 を 通 り 、 電 子 は PCBM のLUMO 準位を通り、移動する。P3HT のHOMO 準位に近い仕事関数をもつ ITO で

図 29

ホールが回収され、PCBM の LUMO 準位に近いアルミニウムで電子が回収される。
有機太陽電池の開放電圧は、一見するとP3HT の HOMO レベルと PCBM の LUMO
レベルの差になるはずである。P3HT のHOMO レベルは―5.2eV であり、PCBM のLUMO レベルは―4.2eV であり、1.0V の開放電圧を期待したいところであるが、実際にはそれよりずっと低い 0.6V 程度である。
開放電圧の起源は未解明であるが、経験的にドナー性分子の HOMO とアクセプタ分
子の LUMO と相関することが知られている。
112

バルクヘテロ型太陽電池

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図 30

バルクヘテロ型有機太陽電池の試作工程

113