三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

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特集論

高効率微結晶タンデム型太陽電池の量産化への取組み

文

Mass Production Start-up Activies on High
Efficiency-microcrystalline Tandem SolarCells
守井Atsushi Morii

淳＊1

田 頭 健 二＊4

Kenji Tagashira高塚汎＊2

山 内 康 弘＊3

＊5

坂 井 智 嗣＊6

Hiromu Takatsuka

竹 内 良 昭Yasuhiro Yamauchi

Yoshiaki Takeuchi

Satoshi Sakai

地球環境対策の切り札として太陽電池が注目されており，当社ではすでにアモルファス型太陽電池を実用化している．従来よりアモルファス型の出力より 1.5 倍の出力が得られ，低コスト化が期待できる生産の高い薄膜シリコン太陽電池の研究開発を行ってきたが，平成 19 年 10 月より年間 40 MW 生産工場を立ち上げ，生産を開始した．と同じ生産能力を確保するためには，単純には５倍の1．微結晶タンデム型太陽電池の特徴製膜速度が必要となる．このため当社ではアモルファ(1)

ス型太陽電池で開発した VHF プラズマ CVD 製膜技を行って来たが，この度アモルファス型の効率を大幅術を高機能化させ，微結晶 Si 膜の超高速製膜技術をに上回る微結晶タンデム型太陽電池の生産を 2007 年開発した 2 ．

当社は従来からアモルファス型太陽電池の製造販売( )10 月より開始した．基板のサイズはアモルファス型

2．高 速 製 膜 技 術と同じで発電出力は 130 W，140 W，150 W の３種類の製品を予定している．

通常，製膜速度を上げると性能低下を招く．この対微結晶タンデム型太陽電池は図１に示すように従来策として，当社の共同研究先である（独）
産業技術総合のアモルファス電池膜に微結晶電池膜を直列に重ねた研究所では従来よりも製膜圧力を高く（数百 Pa）して，ものである．図２に微結晶タンデム型太陽電池の分光

かつ電極と基板間隔を狭くして高パワーを投入する製感度の一例を示すが，アモルファス電池膜で吸収でき膜方法（高圧枯渇法）を開発して，２〜３nm/s の製ない長波長の光を微結晶電池膜で吸収するため効率が膜速度にて微結晶 Si 単体セル効率９％を達成してい高くなる．しかし，微結晶 Si 膜は光吸収係数がアモる 3 ．一方，当社では微結晶タンデム型太陽電池の高ルファス Si 膜より低いため，微結晶タンデム型太陽効率化開発を５cm 角基板対応の小型プラズマ CVD( )電池の i 層の膜厚はアモルファス型太陽電池の５倍以装置を用いて実施し，図３に示すようにタンデムセル上が必要であり，製膜室の数を増やさずアモルファスで初期値 13.4 ％を達成していた 4 ．これらの技術を

太陽光（1kW/m2）

1

ボトムセル 微結晶i層（微結晶）

0300
裏面電極
紫外域

微結晶タンデム太陽電池の構造

ボトムセル（微結晶Si）

2

アモルファスi層

図２500

700
900
波長（nm）

可視光

141210微結晶タンデム太陽電池の分光感度特性

太陽光の波長ごとに電気に変換される光子の密度を示す．
＊4＊2＊586420

Voc：1.39 V
Isc：13.3 mA/cm2
FF：0.726
Eff：13.4 ％
0.5

1

1.5

電圧（V）

赤外域

＊1

長崎造船所太陽電池事業ユニット長
長崎造船所太陽電池事業ユニット技師長 工博＊3
長崎造船所太陽電池事業ユニット次長

電流密度（mA/cm2）

3

透明電極

微結晶タンデム太陽電池の断面構造を示す．

トップセル（アモルファスSi）

4

ガラス基板

図１

タンデムセル

5

太陽光

トップセル
（アモルファス）( )図３

微結晶タンデムセルの発電特性

12 cm2 の小面積微結晶タンデムセ
ルの発電電流・電圧特性を示す．

長崎造船所太陽電池事業ユニット製造課主席 工博
技術本部長崎研究所プラズマ・光技術研究室主席 理博＊6
技術本部先進技術研究センタープロジェクトグループ主席

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融合し，更に前述の高圧条件で生じるプラズマの局率，歩留りの掛け算となる．通常，プラズマ CVD 装在化を抑制するために開発した微結晶 Si 製膜用の新置は，製膜を続けると製膜室内の電極やヒータに膜が型電極を適用することで，約２nm/s の高製膜速度で付着するため，定期的に製膜室を開放して構成部品をボトムセル（微結晶 Si 型）効率 8.8 ％を得た．さら取り外し，洗浄したものと交換する必要がある．このに，大面積高速均一製膜技術開発成果に基づき電極冷時，再組立てした後に膜厚分布の調整や，製膜室のベー却構造を適用することで，図４に示すように製膜速度キングを行う必要があり，稼働率が落ちる一つの原因

2.5 nm/s で効率 8.6 ％を達成した．となっている．そこで当社では半導体製膜装置で用いられるフッ素系ガスを用いたプラズマクリーニング技

3．CVD 装置の稼働率向上

術を太陽電池製造設備に世界で初めて適用した．これ

プラズマ CVD 装置での電池膜生産能力は，製膜速度だけではなく，基板サイズ，製膜速度，稼働率，効により，製膜室を数ヶ月にわたり開放せず連続製膜が可能となり，稼働率が相対値で約 20 ％向上した．
タンデム型太陽電池生産設備には，これら技術を用ボトムセル効率（％）

10いたプラズマ CVD 装置を新たに開発した．また，こ電極冷却により基板変形を抑制：製膜条件適正化の装置には高速製膜に必要な超高周波電力の供給が出来る電源と電極を新たに開発して適用している．膜分

9布の均一性を制御するために電極を分割して，それぞ新型電極適用

8れ製膜速度を調整できる機能も持たせた．ガラス基板
従来電極

7搬送には特殊なロボットを使用せず，機械的な機構で基板熱変形（破損）により製膜条件適正化不能

6搬送するシステムを採用して真空中での機械トラブルの低減を図った．また，プラズマ CVD 装置内での基板の温度管理のためロードロック室からアンロード室

0.0

0.5

1.01.52.02.53.0

製膜速度（nm/s）

微結晶ボトムセルの製膜速度と効率の関係

基板中心温度（℃）

新型電極は従来型電極に比べ効率が高くなる
こと，電極の冷却でガラス基板変形を抑制した場合に製膜速度が 2.5 nm/s で効率が下がらないことを示す．

300
基板温度変動：電極冷却有り
280：電極冷却無し
260
240
220200180
電極冷却構造にて整膜中の160
温度上昇抑制可能
140120 条件安定製膜
1000200 400
600 800 1 000 1 200

いる．基板の変形に関しては，伝熱シミュレーションと応力解析を組み合せた解析技術を開発した．この技術を用いることで，ガラス基板に発生する応力が計算できるので，ガラスの破壊強度の解析結果から破損確率を推定できる．図５に解析結果を示す．また，電極

電極冷却無し ⇒ 基板変形

230

240

250℃

経過時間（s）

基板変形量（mm）

図４までの伝熱シュミレーション計算による予測を行って18：電極冷却有り 基板変形量変動
16：電極冷却無し14製膜
12 条件安定1086電極冷却構造にて基盤の4変形を防止できる
20−20200 400600 800 1 000 1 200冷却型電極 ⇒ 基板変形なし

160180250℃

経過時間（s）

図５

微結晶ボトムセル製膜時のガラス基板温度と変形量解析結果

基板冷却が有無による製膜中のガラス基板温度の変化と変形量のシミュレーショ
ン計算結果を示す．

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1.4 m1.1m

製膜速度：
2.6 nm/s ± 14.3 ％−30

図６−1501530（％）

微結晶シリコン膜の製膜速度分布

図７1.1 m × 1.4 m 基板の微結晶シリコン膜製膜速度分布を示す．

微結晶タンデム生産工場外観建設した年産 40 MW 微結晶タンデム生産工場の外観写真 .

電池の外観を示す．

を冷却して放電で発生する熱を電極より除去する構造を採用することで基板の変形・割れを抑制することが生産した電池の出力分布を図８に示す．電池の出力可能となった．電極冷却がない場合は製膜中に基板温は平均値±５％以内に収まっており高い製造再現性を度が 40 ℃以上上昇し，かつ基板表裏や面内温度差に有していることがわかる．平成 19 年度は 130 W 製品

より基板割れが 1 000 枚に１枚程度発生することが解から販売を始め，生産と並行し電池出力を向上させ，析結果で予測できた．これに対して電極冷却を行うこ

平成 20 年度中に 150 W の製品を販売する予定である．とで製膜中の基板温度上昇は 10 ℃以下に抑制され，微結晶タンデム型太陽電池の標準出力当たりの発電量かつ基板が割れる確率も冷却なしに比べ 100 分の１以年間変化を図９に示す．このデータはドイツの性能評下に抑制できる．

価機関で計測しているもので，結晶型に比べて高い発これらの結果により，微結晶高速製膜に必要な大電性能が得られている．微結晶シリコンはアモルファ電力を投入した条件にて安定した製膜が可能となり，スシリコン中に柱状の結晶粒子が充填されている構造

1.1 m × 1.4 m サイズの大面積基板を用いて図６に示で電気的には結晶とアモルファスの中間の特性を持っすように 2.6 nm/s ± 14.3 ％の製膜速度で微結晶 Si のている．このため出力の温度係数も結晶型とアモル大面積高速均一製膜を確認した．以上述べたような設

ファスの中間の値となるため，温度が高い夏場の発電計技術の適用によって 1.1 m × 1.4 m の基板を安定し量が結晶型より多いと考えられる．て搬送，高速で微結晶シリコン膜の製膜が可能となった．

4．まとめ

図７に示す新工場は平成 19 年 10 月より生産を開始

従来発売してきたアモルファス型太陽電池の出力をしており，平成 20 年度から 40 MW のフル生産に入大幅に更新した微結晶タンデム型太陽電池の生産をる予定である．タイトル写真に微結晶タンデム型太陽2007 年 10 月より開始した．微結晶タンデム型太陽電

図８電池の出力分布量産時のタンデム太陽電池の出力分布特性を示す .

160

2 000
1 800
1 600140

1 400120

1 200100

1 00080

800

60600

40400

202000Module Output（Relateve value）
（％）

2 200

：MHI（Tandem）：Monocrystalline：MHI（Tandem）：Monocrystalline

180

12 1 2 3 4 5 6 7 82005

9 10 11 12 1 2

3 4

5 6 72006

8

Accumulation of Power Generation（kWh/Wp（DC））

Amount of Monthly Power Generation（kWh/Wp（DC））

115-120110-115105-110100-105

95-100

90-95

85-90

80-85

70
60
50
4030
20100＜80

Frequency（％）

2000Month

図９微結晶タンデム太陽電池の年間発電特性

ドイツ Kassel 屋外で計測した微結晶タンデム太陽電池の発電特性を単結晶シリコン太陽電池との比較を示す．

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池の微結晶電池膜の製膜には超高周波を用いて従来の５倍の製膜速度で生産が可能なプラズマ CVD 装置を開発・設計して生産に供している．生産した微結晶タ
ンデム型太陽電池の性能はドイツに於けるフィールドテストの結果，結晶型を上回る年間発電量であること

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Photovoltaic Energy Conversion, Osaka（2003）
p.1570（4）S. Goya, Y. Nakano, N. Yamashita, et al.,Proceedings of 3rd World Conference on
Photovoltaic Energy Conversion, Osaka（2003）
p.1849が確認された．今後は電池 1 枚当たりの出力を向上させ，更に高品質の製品を生産できるよう努力していく所存である．
なお，微結晶タンデム太陽電池及び微結晶 Si 高速（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構
製膜技術はの委託研究により開発したものである．
参 考 文 献（1）高塚，山内ほか，
三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004）（2）山内，高塚ほか，
三菱重工技報 Vol.42 No.3（2005）（3）T . M a t s u i , M . K o n d o a n d A . M a t s u d a ,Proceedings 3rd World Conference on

守井淳

高塚汎

山内康弘

田頭健二

竹内良昭

坂井智嗣