化合物薄膜太陽電池の将来展望
太陽光発電は、再生可能エネルギーの中でも主力としての役割が期待されています。今日では街のいたる所で見ることができ、普及も進んでいるのが実感できます。ところで、太陽光発電を構成する太陽電池には様々な種類があり、それぞれに異なる特徴や性能を有しています。
ここでは、現在太陽光発電市場のほとんどを占めている結晶シリコン系とは異なる、化合物薄膜系と呼ばれる太陽電池に目を向け、その特徴や利点、将来展望について紹介します。最近はペロブスカイト太陽電池という言葉をよく耳にするようになりましたが、ペロブスカイト太陽電池の他にも沢山の種類の化合物薄膜太陽電池が存在します。化合物薄膜系とは、まだ見ぬ性能や機能を持った新材料候補群でもあり、これまでにない機能性材料が突然現れる可能性も秘めています。今回は、新材料そのものではありませんが、新材料の起点となる無機化合物薄膜太陽電池を中心に取り上げます。

国立研究開発法人
産業技術総合研究所
エネルギー・環境領域
ゼロエミッション
国際共同研究センター
首席研究員

石塚 尚吾

（いしづか

れていますが、それでも日本国内における導入量自体ははじめに世界的に見ても決して少なくないことがわかります。

近年の日本のエネルギー構成として、化石エネルギー（1）

2022年における太陽電池モジュール生産量は、世界に大きく依存している現状があります（図1a） 。そ

全体で350－400 GWほどであったと見積もられていれでも、発電電力量における再生可能エネルギー（太陽ます。その 97％が結晶シリコン系で、残りの 3％が薄光や風力など新エネルギーと呼ばれるものと水力を合わ

膜系、特にテルル化カドミウム（CdTe）やCIS系（銅・せた）比率は、2021年にはおよそ20％と、東日本大震

インジウム・セレンから成る CuInSe2 を主成分とし、災以降はその割合を大きく増加させ今日に至っています。

これにガリウムや硫黄などを含有するカルコパイライ

また日本に限らず、世界で太陽光発電の導入は拡大しト型化合物の総称）などのカルコゲナイド系化合物薄続けており、その累積導入量はすでに世界全体で1000膜となります。そういうわけで、現時点では普段街中（ 2）

GWを超えています（図1b） 。日本国内の太陽電池で目にする太陽光発電システムのほとんどは結晶シリメーカーはここ十数年で市場シェアの縮小を余儀なくさコン系ということになります（図２）。

原子力 6.9％（a）10,328億kwh

新エネ等
12.8％

石炭
31％

水力 7.5％
石油等
7.4％

LNG
34.4％

（b）1185 GW
インド
79 GW
日本
85 GW

その他
255 GW

米国
142 GW中国
414.5 GWEU
210 GW

図1 （a）日本の発電電力量（2021 年度）。（b）世界の太陽光発電累積導入量（2022 年）

28しょうご）MARCH 2024 JIR NEWS

図2 結晶シリコン系太陽電池の太陽光発電システム

Information
カーボンニュートラル実現に向けて、再生可能エネ材料に大きな期待が寄せられます。

ルギーの普及は必須であり、研究開発および普及が進国立研究開発法人 産業技術総合研究所（AIST ）はんできましたが、まだまだ推進が必要です。普及が進日本最大級の公的研究機関として、産業や社会に役立

むと高機能化や新たな使用形態の開拓が必要であり、つ技術の創出とその実用化や、革新的な技術シーズをまた環境問題への配慮なども重要になってきます。太

事業化に繋げるための橋渡しや社会実装機能に注力さ

陽光発電は再生可能エネルギーの中心的な役割が期待れています。太陽光発電関連の研究は主につくばと郡されますが、従来の結晶シリコン系だけでは機能や設山の２つの拠点で実施されており、再生可能エネルギー置形態にも限界があるため、他にも様々なものが研究研究センターとゼロエミッション国際共同研究セン開発され、一部は商用化されています。

ターが中心的な役割を担っています。本稿で紹介され本稿の主題である化合物薄膜系は、軽くて曲げるこているセル・モジュールの研究開発（各種太陽電池のともできるフレキシブル型太陽電池の作製が可能にな高性能高機能化、モジュール信頼性）はもちろんのこることや、結晶シリコンよりも優れたエネルギーペイと、計測・評価(発電特性の精密計測や発電量評価、国バックタイム、耐放射線性などの特長を有するものが際標準化に資する標準や計測 ) 、システムに関わる領あります。重量や形状特性などの要因でこれまで太陽域 ( 発電量予測やエネルギーマネジメント、故障診断

光発電の設置が困難であった場所への導入も可能とななど) 、普及・政策に必要な領域( 安全性や各種ガイドるため、これからの研究開発の進展に益々関心が高まっライン作成など ) に至るまで、太陽光発電に関して幅ています。従来の結晶シリコン系太陽電池を上回る光広く取り組まれています。

電変換効率を有しながら価格的にも民生普及を期待できる多接合型太陽電池の実現に向けて、化合物薄膜系

ナビゲーター つくばサイエンス・アカデミー
コーディネータ 渡辺 正信

一昔前、太陽光発電はクリーンエネルギーの代名詞合物－無機系－多結晶系」の CdTe や CIS 系などを指でした（今もそうかもしれませんが）。しかし、近年はしましたが、元々その言葉の定義は曖昧で多様性を持

太陽光発電の導入による景観悪化や環境破壊などが問ち、字面から有機薄膜やペロブスカイト、GaAs薄膜な題となる事例もあり、必ずしも良い印象ばかりを持たども含められるように思われます。太陽光発電分野にれなくなってきた感があります。従来の結晶シリコンおける世界三大国際会議の一つに数えられる欧州太陽系太陽電池モジュールは、大きさにもよりますがパネ

光発電会議及び展示会の2023年開催会（EUPVSEC

ル1枚で大体15 ㎏ほどの重さがあります。実際の設置

2023 、ポルトガル・リスボン、2023年9月 18 － 22

はパネルを何枚も敷き詰めることになるので、場所や日）では、ペロブスカイトや有機系、III-V族系、CIS系

架台には耐荷重性などの仕様も求められます。つまり、などがまとめて「薄膜と新概念（Thin Films and New

設置場所には制約があります。今よりもさらに太陽光Concepts）」という同じ大分類の枠内でプログラム編発電の普及を促進し、エネルギー構成における再生可成が組まれていました。しかし、「 化合物薄膜系」の語

能エネルギー比率を増加させるには、従来の結晶シリ意範囲を、非シリコン系材料のほとんどを表すまでにコン系太陽電池では形状や景観、耐荷重性などの観点広げるのはさすがに用語として意味を成さなくなるので、から導入が困難であった場所への設置も可能な太陽電

ここでは、従前のCdTeやCIS 系にペロブスカイトを加池が必要です。また、性能面においてもより光電変換えた程度の範囲の意味で用いたいと思います。

効率に優れる太陽電池が望まれます。そこで今、化合物薄膜太陽電池の可能性に注目が集まっています。

すでに市場の大部分を占めている結晶シリコン系と比較した場合に、化合物薄膜系に求められる性能や特徴として、光電変換効率以外に軽量性や曲面追従性（柔化合物薄膜系の利点軟性）、低コスト化などが挙げられます。まず、薄膜系の特長を活かした軽くて柔軟性のある軽量フレキシブ

太陽電池材料は、大まかに図3のように分類されまル型太陽電池の製造が可能になるのは大きな利点です。

す。少し前であれば、化合物薄膜系とは狭義的に「化もちろん、薄膜系は軽量フレキシブル型にしか応用でMARCH 2024 JIR NEWS29

は少ないのですが）。また、結晶シリコン系は 1 ㎡を超太陽電池材料
シリコン

結晶シリコン系

える大面積モジュールサイズにおいても24％を超え

アモルファス・薄膜シリコン系

る光電変換効率が得られており、対してCdTeやCIS系

化合物

無機系

有機系

結晶系

Ⅲ-V 族系（GaAs、InP など）

では、1 ㎡超サイズモジュールの光電変換効率は 18 －多結晶系

CdTe、CIS 系、Cu2O など20％にとどまっています。最近注目されているペロブ

有機薄膜
色素増感
ペロブスカイト

図3 太陽電池材料の分類

スカイト太陽電池は、小さい（ 1 ㎠程度）デバイスにおいては25％を超える光電変換効率が報告されていますが（ 2023年12月時点）、大面積化に伴う変換効率の低下が大きく、また経時劣化の問題も抱えているため、本きないわけではなく、ガラス基板を用いることで従来格的な社会実装に至るかどうかは現時点においてまだのパネル型形状の太陽電池モジュールも製造できます。

不透明な状況です。それでも化合物薄膜系太陽電池の実際に CdTe や CIS 系ではガラス基板製品がすでに上研究開発を継続し、車載や屋外設置または屋内使用な市されています。また、コストメリットも重要です。

ど用途に応じて、様々な種類の太陽電池を適材適所に例えば CdTe ではガラス基板から太陽電池モジュール充てていくのが普及促進に繋がると考えられます。後製品の完成まで一つの工場で 5 時間程度しかかかりま述の多接合型太陽電池の研究開発では、様々な種類のせん。他方、結晶シリコン系太陽電池モジュールの製太陽電池を組み合わせてデバイスを構成します。それ

造では、インゴットからウェハ加工、セル化、モジューぞれに異なる太陽電池が個々のポテンシャルをさらにル化に至るまで通常3から4の工場を経由し3日以上か高めていくことで、太陽光発電全体のポテンシャルをかります。太陽電池の優位性の議論によく用いられるさらに伸ばすことに繋がります。

指標としてエネルギーペイバックタイム（その太陽電池を製造するのに消費したエネルギーを、製造した太陽電池を稼働することにより何年で回収できるか）と30

軽量フレキシブル型 CIS 系太陽電池の研究開発いうものがあります。従来の結晶シリコン系は1 ～ 2

CIS系は、CdTeと同様にすでに製品化もされている年と言われますが、CdTe や CIS系では 1 年以下であり、化合物薄膜太陽電池の一つです。小さいデバイス（ 1薄膜太陽電池の優位性が示されます。

㎠程度）では24％近い光電変換効率が得られており、特殊用途をも考えた場合、例えば、結晶シリコン系太500 ㎠サイズのガラス基板モジュールでも20％を超陽電池は耐放射線性が弱く、宇宙空間での使用においえる変換効率が報告されています。前述の通り、結晶て顕著な劣化が見られることが知られています。これ

シリコン系よりも短いエネルギーペイバックタイムやに対し、CIS系は優れた耐放射線性を有することが知ら耐放射線性に優れるという特長もあります。CIS 系太れており、宇宙空間での使用に適しています。またそ

陽電池のモジュール構造は、結晶シリコン系とは異なり、のような特長から、CIS系材料は太陽電池だけでなく放一枚の基板上に複数の短冊状太陽電池セルを直列に集射線検出器などへの応用も有望視されています。

積させるので、小面積でも高い電圧を得ることができここまで、結晶シリコン系の不利な点、化合物薄膜系ます（図4a）。電気の流れをせき止めたり、発熱の原因の有利な点を述べましたが、逆に結晶シリコン系の有となる部分陰の影響を受けにくく、多くの実発電量を利な点、化合物薄膜系の不利な点もあります。結晶シ生み出せるのも特長の一つです。耐放射線性に優れる

リコン系の有利な点は、まず何といっても原料シリコ

ことからもわかるように環境耐性や長期信頼性に優れンの豊富さです。地殻中の元素存在度は、酸素の46％るため、当然屋外使用に適しているのですが、光量の少に次ぐ 2位の 27％であり、人類の生活空間スケールかない屋内においても十分に使用できる特長もあります

ら見ればほぼ無尽蔵と言えます（ちなみに3 位はアル（3）（図4b）。CIS系太陽電池は薄膜系ですが、これまでミニウムで 8 ％、4 位は鉄で6 ％と続きます）。他方、化はガラス基板製品の開発や製品化が先行していました。

合物薄膜系では希少金属や重金属を主成分とする材料

薄膜系の特長を活かした軽量フレキシブル型の太陽電系もあります（それでも「薄膜」であるため原料使用量池開発は重要課題でしたが、ガラス基板製品と比べるMARCH 2024 JIR NEWSab

面積（1 ㎠）ではありますが、33％ を 超 え る 高 い 変 換 効 率が得られています。多接合化の技術はIII-V族系化合物太陽電池では以前から使われており、GaAs や InGaAs 、InGaP

図4 （a）軽量フレキシブル型 CIS 系太陽電池ミニモジュール。１枚のフレキシブル基板上に 17 個の太陽電池セルが直列接続した集積構造になっている。
（b）200 lx 程度の照度下（筆者オフィスの床付近）で、CIS 系太陽電池ミニモジュールによる電力で緑色 LED を発光させている様子（室内照明は蛍光灯）。などの組みあわせで変換効率は38％（太陽電池性能評価の標準条件とされる1 sun, AM
1.5G, 25℃条件下において）の域まで達成されています。と金属箔や樹脂フィルムなどのフレキシブル基板上でしかし、III-V族系はコストが高く、民生用太陽電池とし高い変換効率を得るのは難しく、またガラス基板上とての普及は現実的に難しい側面があります。そこで、コは異なるプロセス開発も必要となるため、その研究開スト的にもより安価な結晶シリコン系や化合物薄膜系

発はガラス基板製品ほど進んでいませんでした。それ材料を用いた多接合型太陽電池の研究開発が進められでも最近、筆者の研究グループでは、CIS系薄膜の組成ています。ペロブスカイト/結晶シリコンだけでなく、制御や添加剤の検討など改良を重ね、軽量フレキシブ

ペロブスカイト/CIS系、III-V族系/CIS系、Cu2O/結晶ル型 CIS 系太陽電池ミニモジュールでは世界最高となシリコンなど、様々な組み合わせが試され、より高性能る光電変換効率 18.7％の達成に成功しています（67.9な太陽電池の実現を目指して研究開発が世界中で進め㎠、17 セル直列接続）。

られています。

また、CIS 系材料は太陽電池だけでなく、水分解水素生成デバイスの光カソード（光を当てると水素を発生する光電極）にも応用できます。CIS系材料の一つ

おわりにであり、短波長光吸収に適した三元系CuGaSe2（禁制太陽電池材料には様々な種類があり、個々の材料の帯幅 1.7 eV）薄膜を光カソードに用いた水分解セル性能をさらに高める研究開発と、それらを組み合わせで、高いオンセット電位（～0.9 V）を有しながら 8％た多接合化やフレキシブル型太陽電池応用などの研究

を 超 え る 水 素 生 成 能HC-STH（Half-Cell Solar-to-開発があります。その中で、従来結晶シリコン系に代Hydrogen ）効率も得られています（ 4 ）。このように、わる、もしくは結晶シリコン系と組み合わせて使う化

CIS 系材料は太陽電池をはじめ水素エネルギー分野な合物薄膜系は有望な太陽電池材料群であり、物理や化ど様々なエネルギー変換デバイスに応用展開が期待で学だけでなく、情報科学やシステムなども含め様々なきます。

専門分野の方が協奏的に関わっていくことで、太陽光発電分野の成長と発展が期待できます。

多接合型太陽電池への展開太陽電池の光電変換効率を高める技術として、多接合化があります。太陽電池材料には、赤色の光（長波長光）の吸収能力に優れたものや青色の光（短波長光）の吸収能力に優れたものなどがあり、これら種類の異なる複数の光吸収層を重ねて太陽電池を構成するのが多接合化です。例えば、結晶シリコン太陽電池単体では最高で27％程度の光電変換効率が得られていますが、ペロブスカイトと結晶シリコンの組み合わせによって、小＜参考文献＞
1） 経済産業省資源エネルギー庁エネルギー白書
2023, https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2023/pdf/2_1.pdf
2） Report IEA-PVPS T1-44:2023, https://iea-pvps.
org/wp-content/uploads/2023/04/IEA_PVPS_
Snapshot_2023.pdf
3） S. Ishizuka, Y. Kamikawa, J. Nishinaga, npj Flex.
Electron. 6, 90 (2022).
4） S. Ishizuka, R. Okamoto, S. Ikeda, Adv. Mater.
Interfaces 9, 2201266 (2022).

MARCH 2024 JIR NEWS31