環境技術が創る未来

太陽電池の技術開発と今後の可能性について
シャープ株式会社 ソーラーシステム事業本部 副本部長兼次世代要素センター所長兼第一開発室長
シャープ株式会社 ソーラーシステム事業本部 次世代要素技術センター 第一開発室【はじめに】

佐賀 達男
浅野 直城ている。当社は用途や使用環境に応じて最適な太陽電池システムを提供するため、シリコン系だけでなく化

現在、我々は主なエネルギー源として石油・天然ガ合物系、有機系など幅広い領域で検討を行っている。

ス・石炭等の化石燃料を利用している。ところが、こ

ここでは、各種太陽電池の特徴を紹介し、その特徴をれら化石燃料を大量に消費し続けることで、近い将来活かした商品展開について述べた。に地球温暖化や資源枯渇問題等が顕在化し、我々の生【本編】

活に大きな影響を与える事が懸念されている。

太陽電池の種類と特徴

太陽光発電は無尽蔵ともいえる太陽光をエネルギー源とし、発電時にCO2等の温暖化ガスを排出しないという特徴を持つ。そのため、温暖化ガスの排出量を削減

太陽電池は、その材質や製法から「シリコン系」「化する低炭素社会の実現のためには非常に有効な手段で合物系」「有機系その他」の三種類に大別でき、更にそある。我が国では政府による導入普及施策により、太れぞれについて「結晶系」「薄膜系」や「単結晶」「多陽光発電システムの生産量および累積導入量は世界結晶」などに分類することができる（図1）。ただし、トップクラスにまで達した。また、欧州を中心とするHIT太陽電池等のような結晶系と薄膜系のハイブリッド

諸外国でもFIT（フィードインタリフ）制度の適用によ型も存在するため厳密な分類は困難である。当社ではり太陽光発電の導入量は急激に拡大している。

「シリコン系」「化合物系」の技術開発および生産、「有クールアース50で提言された「世界の温暖化ガスの機系その他」の技術開発を行っており、用途や使用環排出量を2050年までに半減する」と言う目標や、福田境に応じた太陽電池を幅広い領域で検討している。

ビジョンで提唱された、太陽光発電の導入量を2020年1. シリコン系太陽電池には現状の10倍（推定320万戸）、2030年には40倍（同1280万戸）にするという目標を実現するためには太陽

1-1 結晶シリコン太陽電池

光発電を大幅に普及させることが必要となる。普及拡大のためには発電コストを、現在の46円／ kWhから2010年には電力料金並の23円／ kWhに、さらに先の結晶シリコン太陽電池は1953年にベル研のピアソン

2030年には汎用電力並の7円／ kWh程度まで低減する

らによって発明され、電力用として最初に実用化されことがNEDOのターゲットとなっている。特に2030年た太陽電池である。最も長い使用実績を持つ太陽電池に7円/kWhの目標を達成するためにはいわゆる第三世であり、住宅用太陽光発電システムや人工衛星用電源代型太陽電池等の大きな技術革新が必要になると考えなど幅広い用途に用いられている。結晶シリコン太陽られる。

電池は国内の太陽電池の出荷量（W換算）のうち、9割太陽電池の種類は、その材質や製法から多岐に渡っ近くを占めている1）。

1）太陽光発電協会（財）光産業技術振興協会の太陽電池セル・モジュール出荷統計より

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太陽電池の種類と特徴

特徴

シャープの事業ドメイン

単結晶2007年度
出荷比率(日本)1）

単結晶シリコン・豊富な使用実績

34.0%

多結晶シリコン・現在、主流の太陽電池

56.6%

薄膜系シリコン・少量の原材料シリコンで太陽電池を形成（結晶系の1/100以下の膜厚）8.9%単結晶化合物

・人工衛星や集光型などの特殊用途
・フレキシブルタイプを開発中−

多結晶化合物（CIGS,CdTeなど）

・貴重資源を材料に使う種類の太陽電池がある―

有機系その他

・従来の構造とは異なる新しいタイプ

―

結晶系
多結晶

シリコン

薄膜系
（アモルファス、マイクロクリスタル等）

太陽電池単結晶（GaAs系）
化合物
多結晶（CIGS,CdTe など）

有機系その他

色素増感型

開発中

図1

太陽電池の種類と特徴

当社は1959年に太陽電池の開発に着手し、1963年間接遷移型の光吸収を示すシリコン結晶は赤外領域に結晶シリコン太陽電池の生産を開始した。当初は無での光吸収係数が小さいため、太陽光を充分に吸収す

人灯台や人工衛星など電力線の届かない、しかも過酷るためには通常200μm以上の基板厚が望ましい。更なな条件下での特殊用途へ設置を行い、現在までにそれる低コスト化を実現するためには、出力の低下や基板ぞれ約1900箇所以上、約160機以上に搭載しており、強度の低下を抑制しつつ、シリコン基板の薄型化を行当社製パネルの長期信頼性が実証されている。その産う必要がある。当社では、薄型化に伴い機械的強度が業用で培った技術開発をもとに住宅用の商品化を実現低下するシリコン基板への応力負荷を低減するために、し、1994年から住宅用太陽光発電システムの販売を開

工夫改善を図り、高い信頼性を保持した薄型化技術を始した。当社は、1963年の量産開始から2007年末ま実現している（図2）。

でに太陽電池の生産量が累計2GWを達成した。世界の多結晶シリコン型は生産性が高い反面、基板に存在太陽電池累計総生産量は、8GWと見られ、世界の約4する欠陥のために単結晶型よりも変換効率が劣る欠点分の1が当社製の太陽電池であることになる。

を持つが、近年は優れた欠陥パッシベーション技術の初期の結晶シリコン太陽電池は、高価な高純度シリ開発により、量産レベルでの多結晶シリコン太陽電池コンを原料としてFZ法やCZ法で製造した単結晶シリのセル変換効率は15 ～ 16％にまで改善されている。

コンを用いていたため、極めて高コストであった。そ一方、単結晶シリコン太陽電池はその基板品質の高さこで、単結晶シリコンよりも製造コストを低減できるから高効率化に適しており、量産レベルで20％以上の多結晶シリコンを用いた太陽電池製造方法が開発されセル変換効率が達成されている。今後、更なる変換効てきた。多結晶シリコンの製造法としては、シリコン率の向上による発電コストの低下が期待される。これ融液を坩堝内で直接固化してシリコンインゴットを得らの結晶シリコン太陽電池は比較的狭い面積で高い発るキャスト法が主流となっており、単結晶シリコンの電効率が求められる用途に適しており、電力用太陽電端材などの比較的安価なシリコン原料を用いることが池として現在世界各地の太陽光発電市場での主力商品できる。となっている。

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環境技術が創る未来

セル厚さ［μm］

多結晶セルの薄型化の推移

380

従来セル

350

Dark blueセル
新開発セル

33300

300

280
240
220200200

180100

更なる薄型化へ
ウェハ薄型化に伴うシリコン使用率の変化
100%〜77％

1997

2003

図2〜70%~67%

2004~62%2005

多結晶セルの薄型化の推移

1-2 薄膜シリコン太陽電池

微結晶シリコン太陽電池は、アモルファスシリコンと同様にCVD等で製造されるが、結晶性を持たないアモル薄膜シリコン太陽電池は結晶シリコン太陽電池と異ファスシリコン型とは異なり、結晶シリコン型に近い挙なり、CVD（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）動を示す。微結晶シリコンは、アモルファスシリコンで装置の中でSiH4などの原料ガスを分解してガラス基板は吸収しにくい赤色および赤外域の太陽光を吸収できやフィルム基板上にシリコン薄膜を堆積することで製る。そこで、アモルファスシリコン太陽電池を受光面側造する。前項の結晶シリコン太陽電池はシリコンインとして微結晶シリコン太陽電池と直列に接合することゴットをスライスした200ミクロン厚程度のシリコンで太陽光の吸収量を改善する高効率のタンデム型薄膜シ基板を用いているが、薄膜シリコン太陽電池では2ミクリコン太陽電池が開発されている（図4）。タンデム型薄ロン厚程度のシリコン膜と薄くなり、また、大面積基膜シリコン太陽電池は、アモルファスシリコン太陽電池板への成膜が可能となるため、材料面およびプロセスよりも50％ほど出力を向上することができる。

面から低コスト化が期待できる（図3）。

また、薄膜シリコン太陽電池はその特徴を活かして薄膜シリコンの種類としてはアモルファスシリコン様々な応用商品を展開できる。一般的な薄膜シリコンおよび微結晶シリコンが挙げられる。アモルファスシ太陽電池モジュールは高出力を得るためにほぼ全面にリコン太陽電池は結晶シリコン太陽電池と比較して、薄膜シリコンを形成している。当社は、意図的に薄膜バンドギャップが大きいために吸収可能な太陽光の波シリコンを部分的に除去して採光性を高めたシース長が短くなり変換効率が低い。更に光照射により2 ～ 3ルー型モジュールを販売している。これらをビルの壁割程度の初期劣化が起こる等の欠点を持つ。その反面、面に設置することで意匠性の高い太陽光発電システム

光吸収係数が大きく短波長〜中波長領域の光を1ミクロが実現できる（図5）。

ン以下の厚さで充分に吸収できることからシリコンの現在、結晶シリコン太陽電池の原料である高純度シ使用量を大幅に低減できる利点を持ち、また高温時にリコンの価格が上昇しているため、シリコンの使用量も出力が低下しにくい利点を持つ。

を低減できる薄膜シリコン太陽電池は非常に有力な技

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結晶シリコン

単結晶シリコンシリコン

溶融炉

単結晶〜200μm厚
ウエハ
Wafer

多結晶鋳型

Si インゴット ブロック

薄膜シリコン
RFパワー
プラズマ
堆積
SiH4ガス

図3

結晶シリコン型と薄膜シリコン型の製造方法の違い

従来アモルファスシリコンセル

1.0

結晶薄膜タンデムセル

0.8
内部量子効率〜2μm厚

ガラス基板

0.60.4強化ガラス

0.20.0350

透明樹脂
ガラス板
500
可視光

図4650800950

波長（nm）

薄膜太陽電池
透明樹脂
強化ガラス

1100

赤外光

入射光

透過光

シースルー型モジュール

素子分光感度特性

図5

強化ガラス

入射光

透明樹脂
ガラス板
薄膜
太陽電池
透明樹脂

裏面フィルム標準型モジュール

薄膜シリコン太陽電池の応用術である。また、薄膜シリコン太陽電池とTFT液晶は同電池工場を併設し、液晶パネル製造のノウハウを活用

じ薄膜形成技術をベースとしているため材料やユーした高い生産性かつ大規模（生産能力最大1GW ／年まティリティなどの共用化が可能である。そのため、当で拡張可能）の薄膜シリコン太陽電池の量産設備を社では大阪・堺に建設中の液晶パネル工場に薄膜太陽2010年3月までに稼働させる予定である。

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環境技術が創る未来
2. 化合物太陽電池

電池の占めるコストを低減でき、また入射光量の増加に伴って変換効率を向上できることから、化合物太陽化合物太陽電池の代表として、単結晶のGaAs系、多電池を用いた集光型発電システムによる一般電力用と結晶のCIGS（Copper Indium Gallium Selenide）系やしての普及が期待されている（図6）。現在、250倍集CdTe系等の化合物半導体を用いたものが挙げられる。

光で40.7%の超高効率を実現した化合物太陽電池が報告

化合物半導体の多くは直接遷移型の光吸収を示すため、されており2）、当社でも1100倍集光で40.0％を可能に結晶シリコン型と異なり数ミクロン程度で太陽光を充する化合物太陽電池の開発に成功した3）。集光倍率が高分に吸収することができ、薄膜化に適している。

くなるほど高価な化合物太陽電池の使用量が低減できるという点から、より安価な集光型発電システムの実2-1 単結晶化合物太陽電池現に更に近づいたと言える。
2-2 多結晶化合物太陽電池

当社では人工衛星用電源および集光発電システムを目的としたGaAs系化合物太陽電池の生産および開発を行っている。結晶Ge太陽電池の上にそれぞれ吸収ピー

近年、多結晶化合物材料を用いた、集光システムに頼クが異なるInGaAs太陽電池およびInGaP太陽電池をエピらない安価な化合物太陽電池が実用化されてきた。CIGSタキシャル成長させて多接合化することで、単接合太型やCdTe型太陽電池は、その比較的高い変換効率および陽電池よりも有効に太陽光を利用することが可能とな簡易な製造プロセスからシリコン系太陽電池よりもエネり、高い変換効率を実現している。

ルギーペイバックタイムが短い利点を持つ（多結晶シリ

単結晶多接合化合物太陽電池は高効率である半面、コン型：2.2年、アモルファスシリコン型：1.7年、CdTe

材料・プロセス両面で非常に高コストである。そのため、

型：1.3年、CIGS型：1.1年、年間生産量は30MWと仮定

従来は人工衛星用など特に軽量で高出力が求められる

4）

場合の用途に限定されてきた。しかし、フレネルレンが可能であるため、太陽光の吸収に適した、優れた外ズ等で太陽光を数百倍に集光することで、化合物太陽観を持つ高性能モジュールの製造を実現している5）6）7）。

）。材料の選択によって半導体のバンドギャップ制御

フレネルレンズ

化合物セル

図6

集光型太陽光発電システム

2）G. S. Kinsey, "Operating Characteristics of Multijunction Solar Cells", PVSEC-17, Fukuoka, Japan, (2007).の口頭発表より
3）T. Sasaki, T. Takamoto, "Characterization of Carrier Recombination in Lattice-Mismatiched InGaAs Solar Cells on GaAs
Substrate", PVSEC-17, Fukuoka, Japan, (2007).の口頭発表より
4）NEDO委託業務成果報告書「太陽光発電の調査報告書」（平成12年度）, pp.48-51.
5）昭和シェルソーラー社のHP "http://www.showashell-solar.co.jp/"より
6）ホンダソルテック社のHP "http://www.honda.co.jp/soltec/"より
7）First Solar社のHP "http://www.firstsolar.com"より2008.11.12. no.251

19tokugikon特にCdTe型は従来のシリコン型を上回る発電コストパ

長期信頼性を実現し、低コスト太陽電池として早期のフォーマンスを実現しており、急激にその生産量を増実用化を目指す予定である。

加させている。
3-2 有機薄膜型太陽電池

これらの太陽電池はIn、Ga、Se、Teなどの希少金属を使用すること、またCdTe型についてはCdを使用することから、大量生産、設置した場合に資源面および環有機薄膜型太陽電池はP型有機半導体およびN型有機境面への配慮などの課題も挙げられる。

半導体でPN接合を形成しており、光吸収層のみに有機色素を用いる色素増感型とは異なる構造の有機系太陽3. 有機系その他の太陽電池電池である。低分子有機半導体を蒸着して形成する低分子系、および高分子有機半導体をスピンコート等で3-1 色素増感型太陽電池塗布して形成する高分子系の二種類が存在する。1986
年にTangらは、変換効率は約1％と低いもののP型およ色素増感型太陽電池は従来のシリコン型や化合物型びN型の低分子半導体を積層してPN接合を形成した有のPN接 合 と は 異 な る 構 造 を 持 つ 太 陽 電 池 で あ り、機太陽電池の開発に成功した11）。現在、タンデム型で最1991年にグレッツェルらによって10％近い変換効率高6.5％の変換効率が報告されており12）、今後は色素増が報告された8）。酸化チタン微粒子上に吸着した有機色感型と同様に長期信頼性を実現し、低コスト太陽電池素が光を吸収して、酸化チタン側に電子を放出し、電としての実用化が期待される。

子を失った有機色素は対極側からヨウ素イオンを通じ3-3 量子ドット太陽電池て電子を受け取ることで、太陽電池としてのサイクルが成立する。結晶シリコン型のように高価な高純度材料を用いず、また印刷プロセスによりシンプルかつ大超高効率を得る手段としては前述の化合物太陽電池面積の製造が可能となるため、結晶シリコン型と比較のような多接合化が挙げられるが、量子ドット太陽電して数分の一の製造コストの実現が期待されている。

池は新しい概念で超高効率化の実現を目指すものであ

また、様々な有機色素を採用することでステンドグラる。量子ドットと呼ばれる10nm程度の半導体粒子を規スのような意匠性の高いカラフルなモジュールも製造則的に並べ、その間隔を制御することで元の基板とは可能である。一般に揮発しやすい電解液を使用してい異なる波長の光を吸収できるようになる。その結果、るため長期信頼性が低いという課題を持つが、昨今で幅広いスペクトル領域の太陽光を吸収し、高い変換効は封止技術が改善された結果、1,000時間以上の使用率を実現できると期待されている13）。

でも大きな特性劣化が起こらないという報告も見られ

4. 総括る9）。
当社は公的機関での測定結果としては世界最高のセル効率（11.1％、面積は約0.2㎠）およびモジュール効

それぞれの太陽電池はその材質・製法に由来する固率（7.9%、面積は約25㎠）を達成している10）。今後は有の特徴を持つ。そのため、特徴を比較して一種類の

8）M. Graetzel, "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films", Nature 353, pp.737 - 740, (1991).
9）K. R. Thampi, "Recent Advances in Dye Sensitized Solar Cell Research and Manufacture", Proc. 22nd European Photovoltaic
Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy, pp.182-186, (2007).
10）L. Han, "High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells and Integrated Modules", Technical Digest of the International PVSEC-17,
Fukuoka, Japan, pp. 83-84, (2007)11）C.W. Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183, (1986).
12）J. Y. Kim, "Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All-Solution Processing", Science, 317 (5835), pp. 222-225,(2007).
13）R. D. Schaller, "High-efficiency carrier multiplication through direct photogeneration of multi-excitons via virtual single-excitonstates", Nature Physics, 1, pp. 189 - 194, (2005).

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環境技術が創る未来

太陽電池に絞り込むのではなく、寧ろそれらの特徴をprofile活用した商品展開が必要と考えられる。例えば、結晶シリコン太陽電池は高効率であり低温環境下での発電

佐賀 達男（さが たつお）能力が高いことから、設置面積が限られている人口のシャープ株式会社 ソーラーシステム事業本部 副本部長 兼 次世代要素技術開発センター所長
48年生まれ、岐阜県出身。74年名古屋大院卒業後、シャープ入社。
宇宙用太陽電池、地上用太陽電池の技術開発を担当し、06年より現職。

多い北半球の都市部への設置、薄膜シリコン太陽電池
は温度特性が優れる反面、設置面積当たりの出力がやや劣ることから、比較的高温で大規模な設置面積を確保しやすい地域への設置、化合物太陽電池は高出力で温度特性が優れる反面、セル単価が高コストであることから、砂漠地帯での集光型発電システムや人工衛星

profileへの適用、等のように活用されている（図7）。
ただし、どの種類の太陽電池も本格的な普及の目処とされるコスト目標（一般家庭の電力料金、日本国内

浅野 直城（あさの なおき）の場合は23円／ kWh）を実現できてはいない。今後は

シャープ株式会社 ソーラーシステム事業本部 次世代要素技術開発センター 第一開発室 主事
78年生まれ、岐阜県出身。03年名古屋大学院卒業後、シャープ入社。
地上用太陽電池の技術開発を担当し、07年より現職。

各々について高効率化・低コスト化・長期信頼性の改良を行い、上記目標をクリアして普及促進に繋げることが求められる。

最適なPVシステムを、最適な場所で最善の方法で結晶

結晶
ヨーロッパ

集光

北アメリカ

人工衛星

東アジア

化合物

中東、アラビア半島
アフリカ北部

北アメリカ
西南部
中央アメリカ東南・南アジア

集光

中東、アフリカ
南アメリカ
オセアニア州

薄膜

薄膜

図7地域別の太陽電池活用例

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