NEDO先導研究プログラムの技術課題検討に係る調査のワークショップ（VIP）（2024.5.20）

革新的量産型タンデム太陽電池の研究開発
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
再生可能エネルギー研究センター
松井 卓矢
1. 太陽電池(デバイス)の現状と課題
2. 産総研におけるタンデムセル開発
3. オリジナル技術
4. 取組むべき研究開発課題と想定されるアウトカム
1

結晶シリコン太陽電池の現状と課題


PV はカーボンニュートラルに向けて欠かせないアイテム



結晶シリコン は>95% の市場を独占 (~240 GW @ 2022)

世界で~1.2 TW （総発電量の6%）の太陽光発電が導入済み



2050年までに75 TWの導入期待も N.M. Haegel, Science 380, 39 (2023).

Si-PV

BIPV

課題



効率25%超の高効率セル量産技術



新市場開拓 (BIPV, VIPV, Agri-PV)



既存PV（住宅、メガソーラー）のリパワーリング・高エネ
ルギー密度化

Siの限界を超えるタンデム技術（>30%）とその量産技術

材料のサステナビリティ（In, Ag削減など）

製造時のCO2排出削減 （Kerfless-Siなど）リサイクル技術

utility scale2

タンデム太陽電池の形態
2端子型

３端子型

４端子型

☺ シンプルで従来のセル・☺ トップセルをボトムセルに☺ トップセルとボトムセルを個モジュール技術が使える

 電流整合条件あり直接形成しつつ、電流整合制約から解放される

 2つの独立した回路が必要

別に最適化可能 2つの独立した回路が必要
 界面の光学調整層が必要

3

Tandem

SHJ
Pero

ペロブスカイト／結晶シリコン
タンデム太陽電池の形態
 ペロブスカイトは最適なバンドギャップ（1.7 eV）を有するとともにSi上に直接堆積可能な希少なトップセル材料

 既存のSi太陽電池セル・モジュール製造工程が使用できる付加技術
 高効率（~34%）が実証済みで、更なる高効率化のポテンシャル（III-V系２接合セルを凌ぐ高効率） 従来、平坦なSiの面にトップセルを形成することが一般的であったが、ペロ
ブスカイトの製膜法によってはTEXの上に形成可能

 電荷輸送層や界面パッシベーション技術の進展により、飛躍的な性能改善につながる ボトムセルにはa-Si:H/c-Siヘテロ接合（SHJ）が一般的に用いられる

NREL
Best Research-Cell Efficiencies
4

国の政策

革新的環境イノベーション戦略（令和２年１月２１日統合イノベーション戦略推進会議）
ページ１７：設置場所の制約を克服す
る柔軟・軽量・高効率な太陽光発電の実現「ペロブスカイト系、次世代タンデム型など要素技術開発フェーズにある革新的なデバイス・素材等について、2030年頃の社会実装開始を目指す」に該当

5

結晶シリコン太陽電池の技術動向

ITRPV 15th edition
Verbandes Deutsches
Maschinenbau Anlage (VDMA) 現状、PERCとTOPConが支配
 2030年以降はTOPConのシェアが大きくなる予想
 a-Si:H/c-Siヘテロ接合（SHJ）も増加の見込み 間もなくSi系タンデムが市場に出てくる予想
現状、市場の大多数をPERC、TOPConが締める。SHJの増産はコスト競争の結果次第
タンデム太陽電池の市場拡大には量産型結晶Si太陽電池の使用が重要になる

6

結晶Si太陽電池の各種デバイス構造
種類

特徴

効率

Al-BSF

PERC

ヘテロ接合（表面裏面電極型）

ヘテロ接合（裏面電極型）

TOPCon

 旧式 最も単純な製造プロセス
 裏面が金属で覆われており、再結合ロスが大きい 現在の主流
 旧式に比べて裏面の再結合ロスを抑制

 今後のシェア拡大が予想 両面受光タイプあり
 高出力（特に高温時）
 低温焼成Agペーストを使用（高コスト）
 透明電極に希少金属（In）を使用

 表面電極による遮光ロスなし 高い短絡電流密度
 裏面電極の配線が複雑
 3端子タンデムに利用

 PERCセルの裏面電極とシリコンの接触を完全排除し、高いパッシベーション性能を実現
 PERCセルの製造ラインのアップグレードで生産可能
 今後のシェア拡大が予想

<20 %

24.0%

26.8%

27.1%

26.9%

SiNx:H基本素子構造

タンデム化

p-Si e- h+n-Si

Al××××
現時点ではPERCに置換済み

p-Si e- h+×
Al

SiNx:Hn-Si
Al2O3SiNx:H△
表面・裏面が絶縁物で覆われているため、タンデム化が困難

Ag
n-Sie-Agh+ITO(n)a-Si:H(i)a-Si:H(i)a-Si:H(p)a-Si:H
ITO

SiNx:Hn-Si

Age-h+(i)a-Si:H(i)a-Si:H(n)a-Si:H(p)a-Si:H
ITO◎△
最も高い効率を実 三端子構造
証SiNx:H
Al2O3p-SiAgn-Sieh+metal

SiO2 (~1 nm)
n-poly-Si〇
今後の主力候補7

ペロブスカイト／結晶Siタンデム太陽電池の課題
 タンデムセルは多層かつ複雑な構造をもち、プロセスコストが嵩む問題があるため、相応の効率向上が必要（費用対効果の問題）
 ボトムセルに使用されるSHJはプレミアム用途（車載等）に適している
一方、コストや量産性の観点でメガソーラーには不向き？
 PERCやTOPConは表面・裏面が絶縁物（パッシベーション層）で覆われているため、自在にタンデム化を行うことが困難 従来のSiテクスチャ表面に塗布プロセスでペロブスカイトを形成することは困難 タンデムセルの表面、中間層、裏面にはインジウム系透明電極（ITO,IZOなど）が使用される。インジウムの消費削減・代替は、持続可能なタンデム太陽電池の生産において重要な課題

本提案では、PERCなどの量産結晶Si太陽電池とペロブスカイト太陽電池をTCOフリーで接合する技
術や、ペロブスカイトを塗布プロセスで製膜可能なSiテクスチャ制御技術、Inなどの希少金属を用いない表面電極など、タンデム太陽電池の量産化に向けた革新的低コスト化技術を開発する
8

産総研におけるタンデムセル開発（ベースライン技術）
plasma-CVD
SHJ process

perovskite

perovskitetop-cell

SHJ bottom
cell
C. McDonald et al., ACS Appl.
Mater. Interfaces 14, 33505, (2022).

IV EQE
PLALD
SnO2

PVD（long-throw TCO sputtering、MgF2）

9

オリジナル技術（１）
ALD酸化チタン薄膜 (TiOx)を介したトップ／ボトムセル接合技術**NEDOクリーンエネルギー分野における革新的技術の国際共同研究開発事業で開発
5 nm

IR reflection

Si(100)h+ TiOx が結晶シリコンの表面をパッシベーションしつつ、正孔を選択的に取り出すオリジナル技術を開発
 AlOx等の絶縁膜を半導体的なTiOxに置換えることでセル構造のシンプル化が可能（コンタクトホールの形成不要）
 TiOxを介して量産結晶Si太陽電池をペロブスカイトと接合することが可能に

passivation
TiOx

holeAgextraction

PK/PERC Tandem

Ag-grid

Ag-grid

SiNx

SiNxDiffused n+AlOx
SiNx

HTL

Diffused n+p+h+n-Si

e-p-Sip+p-Sieh+ n-Si e-

TiOx
p-Si (~5 nm)

AlmetalPERC

PERC+TiOx

T. Matsui, M. Bivor, M. Hermle, H. Sai, ACS Appl. Mater. interfaces, 12, 494777 (2020).
T. Matsui, S. McNab, R. S. Bonilla, H. Sai, ACS Appl. Energy Mater., 5, 12782 (2022).

h+ETL

e-Diffused n+ Ag

p-Si

h+SiNx10

オリジナル技術（１）
ALD酸化チタン薄膜 (TiOx)を介したトップ／ボトムセル接合技術**NEDOクリーンエネルギー分野における革新的技術の国際共同研究開発事業で開発

TiOx/Ag
TiOx (A)(~5 nm)(i-p)a-Si:H(~10 nm)-2

Current density (mA cm )

30(B)

(C)

(D)

AgAg

n-Si Ag

セルの片側（裏面）をTiOx/metal構造とした原理検証セルを作製し、ベンチマークとなるSHJ型と同等の性能（20.3%）を得た。



効率はセル表面の光学ロスで律則されており、PERCセルの表面構造を取り入れることで大幅な効率向上が期待される。

(A) TiOx/Ag

p-Si(C) a-Si:H/Ag

10(D) Ag
00.0

Ag(B) a-Si:H/ITO/Ag

40

20

SHJ wo. ITO

p-Si

ITO

Ag

std. SHJ

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Voltage (V)0.60.711

オリジナル技術（１）
ALD酸化チタン薄膜 (TiOx)を介したトップ／ボトムセル接合技術**NEDOクリーンエネルギー分野における革新的技術の国際共同研究開発事業で開発

C. McDonald et al., ACS Appl. Mater.
Interfaces 14, 33505, (2022).

This workAg
ITO
Spiro-OMeTAD

Ag
MgF2

ITO
Spiro-OMeTAD

Perovskite

Perovskite

SnO2n-nc-Si:H
p-a-Si:H
i-a-Si:H

SnO2n-Si

i-a-Si:H
n-a-Si:H
ITO
Ag

n-Si

TiOx
(~5 nm)

n-Si

n-Si

all-in-one

MgF2i-a-Si:H
n-a-Si:HITOAg

 TiOxが（１）Siのパッシベーション層、（２）正孔選択層、（３）トップ／ボトム界面の再結合層としてall-in-one機能を有することをデバイス実証済み
12

オリジナル技術（２）ペロブスカイト塗布プロセスが可能な結晶Siテクスチャ形成技術の開発
 一般的な結晶シリコン太陽電池には反射防止効果を得るために数ミクロンオーダーのピラミッド型テクスチャを表面に形成しているが、この上に塗布法でペロブスカイト層を均一に形成することは困難であった。
 産総研と名古屋大学との共同研究でテクスチャサイズをナノスケール（400-500 nm）でサイズ制御するシリコンのエッチング技術開発した。
これにより均一なペロブスカイト層をテクスチャ面に直接塗布形成することが可能に。
 トップセル／ボトムセルの界面反射ロスを低減し、タンデムセルの電流改善・性能改善を実証
Y. Li, H. Sai, T. Matsui, Z. Xu, V. H. Nguyen,
Y. Kurokawa, N. Usami, Sol. RRL, 2200707 (2022).
Y. Li, H. Sai, C. McDonald, Z. Xu, Y. Kurokawa, N. Usami, T. Matsui,Adv. Mater. Interfaces 2300504 (2023).

ペロブスカイト層

従来テクスチャ開発したナノテクス
チャ結晶Siオリジナル技術（３）InフリーTCO製膜技術
 RPD法で製膜したアモルファスSnO2の低抵抗率化に成功（ ρ < 10-3 Ωcm）
 アモルファスIn2O3よりワイドギャップ（ Egopt ~ 3.0 eV）
 InフリーSHJ太陽電池でη = 22.2% (39.4 mAcm-2, 0.714 V,78.9%)を実証
 希少金属を用いないタンデム太陽電池の実現が期待される In-line RPD system

a-SnO2a-ITO

substrate
reactive vapor
plasmagun

plasma4 cm2 lab-cell

Ar, O2sourcetabletIn2O3-based
 SnO2

T. Koida, T. Matsui and H. Sai, Solar RRL 7, 2300381 (2023).

14

保有するオリジナル技術（TRL2-3）想定されるプロジェクトの概要

TiOx all-in-one技術（Siパッシベーション、正孔取出し、top/btm
電荷交換）

量産Siセルを用いた革新デバイス実証（TRL3-4）（2025-2028）

ペロブスカイト塗布可能なナノスケールSiテクスチャ形成技術

産総研（つくばFREA）タンデムセ
ル製造評価
一環ラインを利用

従来
ミクロンサイズ

Inフリー透明電極 (a-SnO2)製膜技術

開発成果
ナノサイズ

ペロブス
カイト層結晶Si

量産Siセル（FREA）

ALD-TiOx 製膜 (つくば)

タンデムセル性能評価

ペロブスカイト（つくば、FREA）

他のNEDO-PJ
高安定化
高効率化
連続製膜技術実用サイズ実証（2028-2030）
モジュール信頼性試験、パイロット設備導入（2030-2035）
社会実装（2035-2040）

15取組むべき研究開発課題
PERCセル片側の誘電体膜をTiOxに置換える新規プロセス技術開発
トップ／ボトムセル界面におけるパワーロス低減（VOC向上）
ナノスケールTEXのサイズ制御・プロセス再現性の向上とPERCセルへの適用
ペロブスカイトートップセルに非インジウムTCO（a-SnO2）を形成する技術開発
ペロブスカイト太陽電池の高性能化技術、寄生吸収ロス低減技術の開発
上記研究課題の解決に向け、産総研と民間企業、大学と連携して研究開発を実施する。

想定されるアウトカム

低コストなトップ、ボトムセルを利用しつつ最小限の工数で製造可能なタンデム太陽電池の実現につながり、タンデムのボトルネックとなるコスト低減（W/円）を図ることができる。
量産Si太陽電池の利用や脱In化により、資源制約・調達リスクを低減したタンデム太陽電池の製造が可能になる（脱In技術は一般的なPVSK/SHJタンデムにも展開可能）。さらに、タンデム太陽電池はSi太陽電池よりも電流が半減するため、Agの消費を減らせる可能性がある。
現在の住宅やメガソーラーで使用している既存PVパネルをより高効率なタンデム型PVパネルに置換えることができる。既存の設備を利用することで設置制約を受けないPVパネルの普及促進が可能になる。