Review
総説

宇宙用太陽電池の現状と今後の展望
Present and future of space solar cells in Japan中村徹

哉＊

Tetsuya Nakamura

Abstract
This article introduces newly developed thin-film triple-junction solar cells with excellent specific power, whichhave been adopted in Japan Aerospace Exploration Agency's projects such as "SLIM", "DESTINY+", and "MMX", andresearch trends in next-generation space solar cells.

Key words : Space solar cells, Thin-film triple-junction solar cells, SLIM project1

はじめにな薄膜 3 接合太陽電池 2,3 が採用された．薄膜 3 接合
太陽電池は，小型軽量の指標となる太陽電池一枚当た2024 年 1 月 20 日，日本は月への軟着陸を実現しりの出力質量比において，従来型の 3 接合太陽電池た世界で 5 か国目の国となった．本稿では，この成と比べ 5 倍以上の性能を有しており，SLIM 軽量化に功を支えた一コンポーネントである宇宙用太陽電池に大きく貢献した．本紙では，SLIM に搭載された薄膜フォーカスしたい．着陸に成功したのは宇宙航空研究

3 接合太陽電池を中心に，宇宙用太陽電池の現状と今

開 発 機 構（JAXA） に よ る 小 型 月 着 陸 実 証 機 SLIM後の展望について述べる．

（Smart Lander for Investigating Moon） である．SLIM
1

２

はその名の通り月着陸に特化した実証機であり，質量のほとんどが着陸に必要な燃料で，それ以外の構造系

宇宙用太陽電池

図 1 は 日 本 の 宇 宙 用 太 陽 電 池 の (a) 変 換 効 率 と，や搭載コンポ―ネント等はとにかく軽量となるようチャレンジングな設計がなされた．電源である太陽電(b) 太陽電池 1 枚当たりの出力質量比の変遷を示して池も例外ではなく，SLIM では新開発の高効率で軽量いる．太陽電池は太陽光を電力に変換する受動的な素子であるがゆえ，求められる性能要求はほぼこの 2

宇宙航空研究開発機構 研究開発部門 第一研究ユ点に集約される．ただし，宇宙用の場合，初期値ではニットなく，宇宙空間に存在する高エネルギー放射線によるJapan Aerospace Exploration Agency (JAXA)劣化を考慮したミッション末期時の値（初期値と予測

Research and Development Directorate

放射線劣化率をかけ合わせた値）が重要となる．日本

Research Unit Iの宇宙用太陽電池の開発の歴史は 1960 年代に Si 太主任研究開発員

陽電池から始まった 4．層構造の工夫，発電層の高品

Associate Senior Researcher

質化，薄膜化，反射防止技術の向上，電極構造の工夫＊ 	© 2024 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

1GS Yuasa Technical Report

第 21 巻第1号

AM0, 1sun, Efficiency［％］Specific power ＠EOL［W/g］

2024 年 6 月（a）地球近傍のエアマスゼロ太陽光下における変換効率（BOL: Beginning of life, EOL: End of life）

図1（b）寿命末期における太陽電池１枚当たりの出力質量比

日本の宇宙用太陽電池の変換効率と出力質量比の変遷などによって，Si 太陽電池は初期効率および放射線め，3 接合太陽電池の構成材料を変更した 2．3 接合耐性の向上，そして寿命末期時における出力質量比の太陽電池は 3 つの太陽電池（サブセル）が直列に接向上を実現してきた．その後，2000 年頃に III-V 族続されているため，図 2 に示す通り，3 接合太陽電池化合物半導体を用いた 3 接合太陽電池（InGaP/GaAs/の電圧は各サブセルの電圧の和として得られる．一方Ge）が登場し，宇宙用太陽電池の主流は Si 太陽電池

で，電流は最も発生電流が少ないサブセルで律速されから 3 接合太陽電池に変わった．薄膜結晶成長技術

る．Ge ボトム太陽電池の発生電流は大きいが，最もによって異なるバンドギャップの太陽電池を積層した発生電流が小さい InGaP トップ太陽電池で出力が制多接合太陽電池の設計・製造が可能となり，単一材料限されるため，Ge と InGaP 太陽電池の発生電流の差の太陽電池を凌駕する高効率が実現されたためであ分は損失となる．そこで新型の薄膜 3 接合太陽電池

る．現在では，日本の人工衛星のほとんどは 3 接合

ではこの電流損失を低減するため，ボトム太陽電池の

太 陽 電 池 を 搭 載している．直接遷移半導体で あ る

材料をよりバンドギャップの広い InGaAs（~1.0 eV）

InGaP や GaAs の吸収係数は間接遷移半導体である Siに変更して発生電流を他の 2 つのサブセルに近づけに比べ大きく，各太陽電池層は数 µm もあれば十分なる工夫をした．バンドギャップを広げることで電圧は太陽光吸収ができるため，発電に寄与している層の質向上するが，電流は変わらず InGaP で制限されるた量のみを考えれば 3 接合太陽電池の出力質量比は高め，電圧向上分だけ出力が向上した．ただし InGaAs

い．しかし，実際の 3 接合太陽電池では，結晶成長は InGaP および GaAs と格子定数が 2％程度異なるたに必要な結晶基板が厚いため，出力質量比が Si 太陽

め，そのまま結晶成長をすると高品質な光吸収層が得電池より小さくなった点が課題であった．

られない．そこで，格子不整合緩衝層を設け，高品質３な InGaAs 光吸収層を得た 2．また，通常は受光面を薄膜 3 接合太陽電池の研究開発

最後に結晶成長させるが，薄膜 3 接合太陽電池では，逆方向に結晶成長，つまり格子不整合の InGaAs を最後に成長させることで，InGaP や GaAs への格子不整シャープ株式会社（以降，シャープ）と JAXA は，合の影響を抑制した．

寿命末期時の変換効率だけでなく，出力質量比においても世界最高水準を実現すべく，2005 年頃から発電

次に放射線耐性について述べる．高エネルギー放射に寄与しない基板を除去した基板レスの薄膜多接合太線が太陽電池に入射すると，はじき出し損傷によって陽電池の研究開発に着手した．

結晶内に欠陥（以降，放射線欠陥）が形成される．太ま ず，InGaP (~1.9eV )/GaAs (~1.4eV )/Ge (~0.7eV ) 型

陽電池作製時に形成される初期欠陥同様，放射線欠陥は太陽電池の性能を低下させる場合がある．放射線欠の 3 接合太陽電池よりも更に初期変換効率を高めるた

2

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2024 年 6 月

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図 2 従来型 3 接合太陽電池 (InGaP/GaAs/Ge) と薄膜 3 接合太陽電池（InGaP/GaAs/InGaAs）の (a) 外観写真，(b) 断面模式図，(c) 出力イメージ（赤枠が最大出力電力）

陥の種類や放射線欠陥の太陽電池性能への影響等は材シャープと JAXA はこのフレキシブル性を活かし，太料に大きく依存するが，同じ特性の放射線欠陥が異な陽電池アレイを透明フィルムでラミネートしたフィルる材料内に形成された場合，その影響は一般的にバン

ムアレイシートを開発した 3（図 3）．従来の太陽電池ドギャップが狭い太陽電池の方が大きい ．したがっ

パネルは厚い ＝ 曲げられない太陽電池を強固なアルて，固有の放射線欠陥等の影響を除けば，薄膜 3 接ミハニカムパネルに接着剤で貼り付けているが，それ合太陽電池では，InGaP ＞ GaAs ＞ InGaAs の順番でを軽量なアレイシートに置き換えることで，太陽電池放射線耐性が高いことが予想される．実際，実験でも本体のみならずパネル全体の軽量化が可能となった．

そのような傾向が確認されている ．したがって，薄以上の研究開発の成果により，薄膜 3 接合太陽電膜 3 接合太陽電池では，InGaP 太陽電池が電流律速状

池は従来の３接合太陽電池と比べ，寿命末期時の高効態である限り，GaAs や InGaAs 太陽電池における発率化と軽量化を同時に達成し，出力質量比は従来比 5

生電流の劣化 ＝ 低下は見えないこととなる．逆に，倍以上となった．この薄膜 3 接合太陽電池は，特にGaAs や InGaAs 太陽電池が電流律速するようになる

質量制約が厳しい探査機を中心に採用され始めていと顕著な劣化が表れるため，あらかじめ各サブセルのる．

56発生電流の放射線劣化を見込んで末期で電流整合するように，初期状態での発生電流のアンバランス化を図った．
薄膜 3 接合太陽電池は，発電に寄与しない結晶基板を除去することで大幅な軽量化を実現した．基板除去は軽量化の目的もあるが，実際は，逆成長した薄膜3 接合太陽電池において基板除去は必要不可欠なプロセスである．前述の通り，多層薄膜成長により作製した薄膜 3 接合太陽電池ウエハの最表面のサブセルはInGaAs になっている．この状態では InGaP と GaAsに光が届かないため，軽量化とは本質的に関係なく基板を除去して InGaP 側から受光させる必要がある．
基板を取り除くと太陽電池多層薄膜の厚さは数 10µm と な り， フ レ キ シ ブ ル 性 が 得 ら れ る． そ こ で，

図 3 薄膜 3 接合太陽電池搭載フィルムアレイシートの外観写真 7（© シャープ株式会社）3

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４2024 年 6 月

第 21 巻第1号

 膜 3 接合太陽電池搭載フィルムアレ
薄イシートの宇宙実証

合太陽電池はこの電流集中と局所的加熱の正帰還に通常の宇宙機において，太陽電池は唯一の発電機で的な事象ではなく知見は限られていたが，この軌道上あるため，当然高い信頼性が要求される．よって，太実証試験の不具合経験から得た知見を基に，熱暴走に陽電池を新規開発した場合，いきなり実機応用するの対して負帰還 13 の機能を薄膜 3 接合太陽電池に付与

ではなく，まず宇宙機の主電源に用いない形で軌道上することで，同事象が起こらないようにした．

よって，太陽電池を永久故障させるほどの高温となり得ることがわかった．当時，太陽電池の熱暴走は一般動作実証試験をするのが一般的である．薄膜 3 接合

このあとも着実に改良実績を積み重ね，結果として太陽電池も段階を踏んで複数の実証試験を実施した．

薄膜 3 接合太陽電池は冒頭述べた SLIM に搭載される太陽電池単体は 2013 年 9 月 14 日に「ひさき」に搭ことになった（図 5）14．SLIM は全ての地上試験に合載して 8,9，またフィルムアレイシートモジュールは格し 15，2023 年 9 月 6 日に種子島宇宙センターから2016 年 12 月 9 日に「こうのとり」6 号機に搭載し打ち上げられた．SFINKS 後に加えた改良は軌道上でて ，それぞれ軌道上に打ち上げられた．図 4 は，想定通り機能し，太陽電池パネルの発生電力は設計ど「こうのとり」6 号機に搭載された薄膜太陽電池フィおりの結果が得られた．また，2024 年 1 月 20 日にルムアレイシートモジュール軌道上実証システムは無事月着陸も達成した．着陸直後，姿勢異常により（SFINKS: Solar cell Film array sheet for Next

太陽電池に光が当たらない状態が続いたが，同 1 月generation）の外観写真である．太陽電池単体の軌道

28 日に太陽光が当たり SLIM は再起動した．その後

上実証では問題はなかったが，SFINKS は運用初期

も 2024 年 4 月末時点で 3 回の越夜に成功するなど，108,9にて永久故障に至った ．不具合分析や検証実験等か薄膜 3 接合太陽電池は昼夜で約 300℃もの温度差をら，フィルムアレイシートに搭載した薄膜 3 接合太経験する非常に厳しい月の温度環境にも耐え得ること

陽電池の故障の根本的な要因は，太陽電池の熱暴走が示された．

1112であったと結論づけた．太陽電池で発生した電流は，薄膜 3 接合太陽電池を用いたコンポーネントとし外部回路に出力されない場合，太陽電池内部で消費さて，フィルムアイレシートだけでなく，耐環境性によれる．太陽電池の温度が面内で均一であれば発電箇所

り優れるガラスタイプのアレイシートや，インターコとこの消費箇所は同じとなるが，太陽電池に温度分布

ネ ク タ・ カ バ ー ガ ラ ス 付 き 単 型 太 陽 電 池（CIC：等がある場合，電流は高温箇所に集中して消費されやCoverglass Integrated Cell）も開発した 3．ガラスア

すい．高温箇所に電流が集中すると，その箇所の温度レイシートを用いた太陽電池パドルは 2019 年 1 月が更に高くなる．従来の厚い太陽電池であれば，面内

18 日 に 打 ち 上 げ ら れ た「 小 型 実 証 衛 星 1 号 機 」

方向の熱抵抗が小さいため熱は拡散し局所的温度上昇（RAPIS-1）搭載の「軽量太陽電池パドル」（TMSAP：は起こりにくいが，薄膜太陽電池の場合は面内方向のThin Membrane Solar Array Paddle）によってその機熱抵抗が大きいため局所的に高温になりやすい．検証
実験から，様々な条件が重なった場合に，薄膜 3 接図 4 「こうのとり」6 号機に搭載されたフィルムア
レイシートの外観写真 10（©JAXA）

図 5 SLIM に搭載されたフィルムアレイシート 14（©JAXA）

4

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2024 年 6 月

第 21 巻第1号

能・性能が実証された 16,17．今後，この薄膜 3 接合太有する薄膜 3 接合太陽電池を開発し，その実用化に陽電池は，2025 年打ち上げ予定の DESTINY （ガラ成功した．更に JAXA では，多様化する要求に応える

スアレイシート採用） や 2026 年打ち上げ予定のべく，目標性能の異なる複数種の次世代宇宙用太陽電MMX（CIC 採用）池の研究開発を進めている．

＋

18

19,20などにも搭載が決まっており，更なる採用先の拡大が期待される．

５謝

次世代宇宙用太陽電池

辞

本稿は薄膜 3 接合太陽電池の研究開発に携わられJAXA では，薄膜 3 接合太陽電池の採用先拡大活動た多くの方のご協力のもと執筆した．特にシャープエと並行して，次世代宇宙用太陽電池の研究開発も実施

ネルギーソリューション株式会社の高本達也氏，山口している．ここまで宇宙用太陽電池に求められること洋司氏，鷲尾英俊氏，島田啓二氏，鈴木喜之氏，伊地として性能面に着目してきたが，当然ながらコストも知亮氏，松本雄太氏，量子科学技術研究開発機構の大重要である．近年は衛星一機で全ての機能を担うので島武氏，佐藤真一郎氏，三条市立大学の今泉充教授，はなく，複数機によってサービスを提供するコンステ

宇宙航空研究開発機構の豊田裕之助教，住田泰史氏，レーション衛星の市場が活発である．このようなケー

宮澤優氏，金谷周朔氏に感謝の意を表する．

スではコストの方が重視される場合があり，宇宙用太参考文献

陽電池に対する要求が多様化している．高性能化と低コスト化の完全な両立は現状難しいため，JAXA では
材料固有の特性等を考慮して，それぞれの要求に適し

1) 澤井秀次郎，福田盛介，坂井真一郎，櫛木賢一，

た複数種の次世代宇宙用太陽電池の研究開発に取り組

荒川哲人，佐藤英一，冨木淳史，道上啓亮，河野んでいる．コスト重視の太陽電池としては，安価な材

太郎，岡崎峻，久木田明夫，宮澤優，植田聡史，料と製造法を用いた CIS 太陽電池やペロブスカイト太

戸部裕史，丸祐介，下地治彦，清水康弘，芝崎裕

陽電池に着目している．これらは特に，Si 太陽電池介，島田貞則，横井貴弘，薮下剛，佐藤賢一郎，に比べて高い放射線耐性を有していることが示されて

中村和行，久原隆博，高見剛史，田中伸彦，古川おり克己，航空宇宙技術 17, 35-43, 2018．

，宇宙応用の可能性を有している．また，高21,22

性能化に関しては，新たにメカニカルスタック構造を

2) T. Takamoto, T. Agui, A. Yoshida, K. Nakaido,取り入れた 3 接合太陽電池の開発を進めている ．こH. Juso, K. Sasaki, K. Nakamura, H. Yamaguchi,

れは InGaP トップ太陽電池と GaAs ミドル太陽電池（２T. Kodama, H. Washio, M. Imaizumi, M. Takahashi,

つで薄膜 2 接合太陽電池を形成）は薄膜 3 接合太陽電

Proceeding of IEEE 35th Photovoltaic Specialists

池と同じだが，ボトム太陽電池として放射線耐性の高Conference, Honolulu, USA, pp. 412–417, 2010.

23

い CIS 太陽電池を採用することで，寿命末期の変換効

3) H. Yamaguchi, R. Ijichi, Y. Suzuki, S. Ooka,率を更に高めることを狙いとしている．上部の薄膜 2K . S h i m a d a , N . Ta k a h a s h i , H . W a s h i o ,接合太陽電池に関しても，光電変換損失を極限まで低K. Nakamura, T. Takamoto, M. Imaizumi, T. Sumita,減させることによって更なる高性能化を目指している．

K. Shima zaki, T. Nakamura, and T. Oshima,

現在，これらの次世代宇宙用太陽電池の軌道上実証試

Proceeding of IEEE 42nd Photovoltaic Specialists

験に向け，「HTV-X 宇宙用太陽電池セル実証装置」

Conference, New Orleans, USA, 15664138, 2015.

（SDX：Space solar cell Demonstration instrument on4) 上村邦夫，佐賀達男，松谷壽信，シャープ技報，機で打ち上げる予定である．

5) T. Nakamura, M. Imaizumi, S.-i. Sato, T. Ohshima,

HTV-X ）24 の開発を進めている．SDX は HTV-X 1 号

６

第 70 号，pp. 59- 64，1998 年．

H. Akiyama, and Y. Okada, J. Appl. Phys , 132.

おわりに115701, 2022.

6) M . I m a i z u m i , T. Na k a mu r a , T. Ta k a mono,
T. Ohshima, and M. Tajima, Prog. Photovoltaics

通常の宇宙機において，宇宙用太陽電池は唯一の発Res. Appl . 25(2), 161, 2017.

電機であり，非常に重要なコンポーネントである．

7) シャ ープニ ュースリリース , 2024 年 1 月 29 日，

シャープと JAXA では，世界最高水準の出力質量比を5GS Yuasa Technical Report

2024 年 6 月

https://corporate.jp.sharp/news/240129- b.html

第 21 巻第1号

n01/210133.html，（参照：2024 年 5 月 19 日）

18) H. Toyota, T. Takashima, H. Imamura, K. Nishiyama,（参照：2024 年 5 月 19 日）

8) K. Sh i ma za k i, Y. Kobayash i, M. Ta ka hash i,

T. Yamamoto, T. Miyabara, M. Ohta, Y. Mochihara,
N. Ozaki, H. Nagamatsu, T. Okahashi, J. Takahashi,

M. Imaizumi, M. Murashima, Y. Takahashi,
H. Toyota, A. Kukita, T. Ohshima, S. - i. Sato,T. Okudaira, T. Hirai, M. Kobayashi, K. Ishibashi,

P. Hong, O. Okudaira, and T. Arai, J. Evolving Space

T. Takamoto, H. Kusawake, Proceeding of IEEE

Activities 1, 90, 2023.

40th Photovoltaic Specialists Conference, Denver,19) K. Kuramoto, Y. Kawakatsu, M. Fujimoto, A. Araya,

USA, pp. 2149-2154, 2014.

9) T. Sumita, Y. Shibata, T. Nakamura, K. Shimazaki,

M. A. Barucci, H. Genda, N. Hirata, H. Ikeda,

A. Kukita, M. Imaizumi, S.- i. Sato, T. Ohshima,T. Imamura, J. Helbert, S. Kaneda, M. Kobayashi,and T. Takamoto, Jpn. J. Appl. Phys . 57, 08RD01,

H. Kusano, D. J. Lawrence, K. Matsumoto,2018.

P. Michel, H. Miyamoto, T. Morota, H. Nakagawa,10) JAXA 研究開発部門 HP, T. Nakamura, K. Ogawa, H. Otake, M. Ozaki,

https://www.kenkai.jaxa.jp/research/society5/

S. Russell, S. Sasaki, H. Sawada, H. Senshu,

sfinks.html（参照：2024 年 5 月19 日）

S. Tachibana, N. Terada, S. Ulamec, T. Usui,K. Wada, S.- i. Watanabe, and S. Yokota, Earth

11) JAXA 研究開発部門 HP, Planets Space 74, 12, 2022.

https://www.kenkai.jaxa.jp/research/pastres/20) 中村徹哉，嶋田貴信，今田高峰，内藤均，新延大介，

sfinks_results.html,（参照：2024 年 5 月19 日）

12) T. Nakamura, T. Sumita, and M. Imaizumi, Jpn. J.

赤澤慧，青木香恵，山坂大樹，及川信一郎，岡寿Appl. Phys . 57, 08RD03, 2018

久， 第 67 回 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会，3E16，

13) T. Na k a m u r a , M . I m a i z u m i , K . Mu r a i , R .

2023.

Kawamura, and I. Nanno, Jpn. J. Appl. Phys. 62,21) H. Sugimoto, T. Nakamura, M. Imaizumi, S.- i.

Sato, T. Ohshima, Proton Degradation - free

SK1049, 2023.

14) JAXA/ISAS HP, Flexible Chalcopyrite Solar Cells, Proceeding ofIEEE 50th Photovoltaic Specialists Conference,https://www.isas.jaxa.jp/feature/slim/slim_04.
html, ( 参照：2024 年 5 月 19 日 )San Juan, USA, 2023.

22) Y. Miyazawa, M. Ikegami, H. Chen, T. Ohshima,

15) T. N a k a m u r a , H . A k i y a m a , S . K a n a y a ,M. Imaizumi, K. Hirose, and T. Miyasaka, iScience

Y. Miyazawa, H. Toyota, and S.-i. Sakai, Electrical2, 148, 2018.

Characterization of Solar Array Panels by Absolute23) M . I m a i z u m i , T. Ta k a moto, H . Su m i moto,Electroluminescence Intensity, J. Evolving Space
Activities, in-press.

T. Ohshima, and S. Kawakita, Proceeding of IEEE

16) T. Sumita, T. Nakamura, Y. Shibata, Y. Hiomi,

46th Photovoltaic Specialists Conference, Chicago,
USA, pp. 1495-1498, 2019.

H. Uchida, A. Okamoto, M. Imaizumi, N. Kaneko,
T. Kobayashi, T. Ose, Y. Nozaki, and T. Takamoto,24) M . I m a i z u m i , T. O k u m u r a , T. Na k a m u r a ,12th European Space Power Conference, 270,

S. Kanaya, and T. Sumita, Proceeding of IEEE2019.

49t h Photovolt a ic Specia l i st s Con ference,17) NEC 技報，
Philadelphia, USA, pp. 1257-1257, 2022.

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