国立大学法人九州工業大学
生命体工学研究科教授

技術解説㻌

プリンタブル光電変換部分を有する   円筒形太陽電池
Cylindrical Solar Cells with Printable

理学博士 早瀬 修二㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 6KXML+D\DVH    Photo-Conversion Sheet

１．はじめに体/光吸収層/p 型半導体/金属電極からなる。透明電 日本の 2016 年時点における太陽光発電の累積導極/p 型半導体/光吸収層/n 型半導体/金属電極と n入量は 42.8GW であり、大型タービン発電約 50 設と p 型が入れ替わってもよい。光吸収層がどのよう備に相当する 。2017 年度に発電された全発電量のな物質でできているかによって種々の太陽電池が5.7%が太陽光発電であったと報告されており、太陽存在する。図 2 に各種太陽電池の公認世界最高効率

１)

光発電の普及が急速に進んでいる 。現在生産されを示す 5)。単結晶シリコン太陽電池の効率は 26.7%ている大部分の太陽電池はシリコンを光吸収層しであり、通常用いられる太陽電池の中では効率が一て用いており、平面型太陽電池モジュールは家庭の番高い。多結晶系のシリコン太陽電池、化合物系太屋根から大規模太陽光発電所まで広く設置されて陽電池(CIGS, CdTe)の効率は 21～22%である。一方、いる。太陽光発電で得られる電力の料金は 16 円

無機太陽電池でもアモルファスシリコンを使った/kWh 程度であり３)、 国立研究開発法人新エネルギ

太陽電池効率は 10.2%と多結晶系太陽電池と比較すー・産業技術総合開発機構（NEDO）は 7 円/kWhると低い。プリンタブル太陽電池としてこれまで研を目指した太陽光発電ロードマップ(PV2030+)を作

究されてきた色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池4)、それを達成するための研究プロジェクトが進

は光吸収層として有機色素、半導体ポリマーをそれ行している５)。低コストを目指した研究の中にプリぞれ使用しており、効率は 10～12%である。ペロブ２)

成５)ンタブル太陽電池の開発がある 。シリコン系太陽スカイトを吸収層として用いる太陽電池の効率は電池に使われる Si は高効率と高い耐久性を持ってプリンタブル、低温プロセスで作製されるにもかかいるが、作製には 1500℃以上の高温が必要である。

わらず、20.9%と無機多結晶型太陽電池に迫る高効 プリンタブル太陽電池は太陽電池を印刷でしか率が報告されている。このため、ペロブスカイト太も 150 度以下の低温で作製しようとするもので、ス陽電池は低コストプロセスで作製される高性能太ループットを高くし、プロセスコストを格段に低下陽電池として脚光を浴びている。

しようとする狙いがある。プリンタブル太陽電池のひとつであるペロブスカイト太陽電池は多結晶シについて解説する。

e-h+p-typeい耐久性と使いやすさを提供する円筒形太陽電池

光n-type電池の研究開発動向とプリンタブル太陽電池に高透明電極目を集めている。本報告では、ペロブスカイト太陽２．太陽電池の概論
太陽電池は図１に示すように透明電極/n 型半導15     図１ 太陽電池の構造

金属電極

光吸収層リコン型太陽電池に近い高効率を達成し大きな注フジコー技報−tsukuru No.26(2018)3025

効率/%ている。ペロブスカイト型太陽電池が高効率を発揮

26.7
22.3 22.9

できる要素のひとつがこの Pb-I-Pb-I-と連なる結合21.020.920にあるといわれている。MAPbI3 に代表されるこのハロゲン化ペロブスカイトが励起したときに電子

1510.21011.9 11.2とホールに分離するが、そのときの分離のためのエネルギーロスが非常に小さいこと（エキシトン束縛5結合しにくいためにこれらの電荷の寿命が長く、有㻤PVK㻢OPVDSSC㻠a-SiCIGS㻞

CdTe

poly-Si㻜

C-Si0

エネルギーが小さい）、解離した電子とホールが再㻝㻜

効にロスなく各電極に収集される（小さな有効質量、長い電荷寿命、および長い電荷拡散距離が実現でき

無機太陽電池プリンタブル太陽電池ている）ことが高効率を実現できるゆえんである。

図２ セル面積約 1cm

普通、高温で作製した半導体結晶で得られる電子物   Poly-Si：多結晶シリコン、CIGS:CuInGa(S)Se、性が 100℃程度の低温で成膜することで得られると

   a-Si:アモルファスシリコン、DSSC：色素増

ころが特異的なところである。詳細は総説を参考に   感太陽電池、OPV：有機太陽電池、していただきたい(７)。

2 以上、C-Si:単結晶シリコン,   PVK：ペロブスカイト太陽電池

３．ペロブスカイト太陽電池の研究開発状況について
 図 1 の n 型層、光吸収層（ペロブスカイト層）、p型層とも有機溶剤を使ったスピンコート法、スキーPb2+ （Ｍサイト）
I-（Ｘサイト）
MA+（Ａサイト）

ジ法、インクジェット法、スプレイ法等のウエット塗布工程で順次作製される。透明導電層を具備したガラス基板上に順次塗布・成膜するため、各層を成膜する場合には下の層が溶解しない溶剤を選択する必要がある。透明導電膜基板から光が導入されペロブスカイト層が光を吸収し、ペロブスカイト層がAMX3 構造   図３ ペロブスカイトの構造励起されることによって電子とホールが形成される。電子は n 型層にホールは p 型層に収集され、電 今後の研究として①さらなる高効率化、②耐久性圧、電流が発生する。n 型層にはフラーレン、TiO2,の向上、③Pb を使わないペロブスカイトの高効率

SnO2 が、p 型層には P3HT, トリアリールアミン構化、④タンデム化、⑤大面積、モジュール化などが造を持った低分子化合物および高分子化合物、NiOあげられる８)。高効率化については赤外域を光電変が用いられる。ペロブスカイトの構造を図 3 に示す。

換できるペロブスカイトが検討されている９)。図 3

一般に AMX3 で示され、A は一価の陽イオン、Mの M サイトに Pb を含むペロブスカイトを光吸収層は二価の陽イオン、X はハロゲンイオンである。Aとした太陽電池は 800nm 程度までの可視光（バンとして CH3NH3 イオン(MA)、フォルマミジウムイ

ドギャップ：1.55 eV）を光電変換するが、それよりオン(FA)、Cs+イオンが用いられる。Ｍとしては Pb2+,も長波長の近赤外域は光電変換できない。

2+, Ge2+、X として I-, Br-, Cl-のハロゲンイオンがShockley-Queisser の効率予測ではバンドギャップが用いられる。ペロブスカイト構造は Pb2+と I-が作る1.2-1.4 eV(吸収端が 900nm から 1050nm 程度)の光吸八面体を八面体の一点を共有して連なっている構

収層を有する太陽電池のほうが高い効率が期待で造でその隙間をＡサイトである MA+イオンが埋めきる。M が Sn2+と Pb2+が混合されたペロブスカイト+Sn16

は 1050nm の近赤外まで光電変換できる。現在 18%

４．プリンタブル太陽電池の耐久性を向上できる程度の効率であるが、今後の研究の進展により 20%円筒形太陽電池以上の効率が期待できる 10)。耐久性の向上について

 プリンタブル太陽電池は低温印刷プロセスで作はＡサイトに MA+, FA+, Cs+, Rb+のイオンを混合し製できる利点はあるが、酸素、水分等の存在下で、て使用することにより、長時間の安定性が期待でき熱、光との相乗効果で劣化が起こりやすいという欠。耐久性の向上は 2D 構造のペロ点がある。そのため、安価な封止方法が必須である。

ブスカイト構造を若干加えることにより、達成されプラスチック基板上でデバイスを構築するとフレるようになった

11)

12)

。今後封止を含めたモジュー

キシブル太陽電池が作製できるが、フイルムには水ル構造と光、熱、電界等の相乗的刺激に対する安定分透過性、酸素透過性の少ない高性能バリアフイル性が議論される。Pb を含まない太陽電池として有ムが必要となりコスト上昇の一因となっている。九

望な組成は図 3 の M サイトが Sn のハロゲン化ペロ

州工業大学・株式会社フジコー・CKD 株式会社は13)。現在 9%程度の効率が報告さ

JST 戦略的イノベーション創出推進プログラム（S-れている。我々は M サイトに SnGe の混合金属を使イノベ）に採択され、ウシオ電機株式会社の協力のったペロブスカイトを光吸収層として用い、効率もと円筒形太陽電池システムの開発を行っている

8%程度の Pb を含まないペロブスカイト太陽電池を（図 4）18)。

ると報告されている

ブスカイトである

報告している 14)。高効率化のひとつにタンデム化が上げられる。一つの太陽電池では Shockley-Queisserの効率の限界の 30～33%程度を超えることができない。可視光を光電変換できる太陽電池（トップセル）と赤外域を光電変換できる太陽電池(ボトムセル)を重ねたタンデム太陽電池は高効率化に有効で   図４ 円筒形太陽電池の概観ある。OXFORD PV はトップセルとしてペロブスカ
イト太陽電池、ボトムセルとして Si 太陽電池を用
15) 円筒形内部の光電変換部分は九州工業大学、円筒。Si 単形太陽電池は株式会社フジコー、円筒形封止装置の結晶の効率が 26.7%であるため、塗布型ペロブスカ

開発は CKD 株式会社が担当し、ウシオ電機株式会イトの助けを借りて、Si 太陽電池の最高効率をさら社の協力のもと、円筒形 IoT センサーネットワークに向上したとも考えられる。一方、トップセル、ボシステムを動かすための孤立電源としての実証試

トムセル両方をペロブスカイトを用いて、タンデム験を行っている。その外観を図 5 に示す。先端部に太陽電池を作製することができる 16)。ボトムセルには温度、照度などをセンシングできるシステムと発はバンドギャップ 1.2 eV の SnPb ペロブスカイトの信機が内蔵されており、それらのデバイスに円筒形太陽電池、トップセルには 1.8eV のペロブスカイト

太陽電池と発電された電力を貯蔵する二次電池かいて、27.3%の効率を達成したと発表した17)。4 ターミナル接続ではあるが効らなる電源システムから電力が供給されている。封率 21%を報告している 16)。企業では大型モジュール止はランプの封止技術を応用し完全に酸素と水分化 に 関 す る 研 究 が 進 ん で い る 。 Microquanta はを遮断できるため、酸素と水分に弱いプリンタブル

277cm2 の 7 直列ミニモジュールを作製し 17.25%,太陽電池でも高い耐久性が低コストで実現できる。

太陽電池を使う

2 の 44 直列セルを作製し 11.7%の効率

また、消費者側からは①縦に設置する場合、少ないを報告しており、これらがミニモジュール、サブモ設置面積で設置できる、②消費者自身によって蛍光20%灯と同じように設置、交換が可能である、③風雨、と比べるとその差は大きいが、塗布の均一化を進め

雪に強い、④農作物の上に並べて設置でき、植物とることにより、大面積でも 20%に近いモジュールが発電のソーラーシェアリングが容易にできる 19)、⑤作製できると考えられる 6)。

風圧がかかりにくいため、架台を強固にする必要は

東芝は 703 cm

2 の最高効率ジュールの最高効率である。1cm17フジコー技報−tsukuru No.26(2018)

なく容易に設置できる、⑥一日の総発電量が大きい、

W., Dunlop E. D., Levi H. D.,Hohl-Ebinger J.,などの利点がある。このため、ベランダへの設置、

Ho-Baillie W.H.A., Prog. Photovolt: Res. Appl.

ビルへの設置（ゼロエネルギービルディング）20)、

2018, https://doi.org/10.1002/pip.3040

農業用地への設置、室内環境発電用設置など平板型

7) Manser, Joseph S. and Christians, Jeffrey A.

シリコン太陽電池で設置が難しいところにも設置

andKamat,Prashant

V.,"Intriguingが可能である。災害用非常電源としても期待される。

Optoelectronic Properties of Metal Halide
Perovskites". Chemical Reviews. 116 (21):12956–13008, 2016.
8) Hayase, S. , Research following Pb perovskite
solar cells, Electrochemistry, 85, p.222-225,2017.
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Yoshino, K., Pandey, S. S., Ma, T., Hayase, S.

  図５ 円筒形太陽電池の実証試験風景

CH3NH3SnxPb(1-x)I, perovskite solar cells
covering up to 1060 nm, Journal of Physical

５. まとめChemistry Letters, 2014, 5, 1004-1011 または、

㻌 㻌 プリンタブル太陽電池は低温印刷で作製できるた

早瀬修二、赤外領域での光電変換を可能に―カめスループットが高く、製造プロセスの低コスト化が期

クテルペロブスカイト太陽電池、応用物理、待される。プリンタブル太陽電池の中でもペロブスカイ

2014, 83, 660.

ト太陽電池は 20%を超える高効率太陽電池として注目

10) Kapil, G., Ripolles, T.S., Hamada, K., Ogomi,

されている。プリンタブル太陽電池の欠点である耐久

Y., Bessho, T., Kinoshita, T., Chantana, J.,

性は酸素と水分を完全にシャットアウトできる円筒形太Yoshino, K., Shen, Q., Toyoda, T., Minemoto,

陽電池構造を使うことにより解決できる。高効率、高耐T., Murakami, T.N., Segawa, H., Hayase,

久性円筒形太陽電池の実現に向け、フレキシブルペロ

Highly Efficient 17.6% Tin-Lead Mixed

ブスカイト太陽電池（封止なし）のさらなる高効率化と大Perovskite Solar Cells Realized through

面積化が必要である。

Spike Structure, Nano Letters, 2018, 18,3600-3607.

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