面積世界最大のフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールを開発

2018-06-182021-08-09

モジュール面積703cm²で変換効率11.7％を実現

2018/06/18　国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
株式会社東芝

NEDOと（株）東芝は、（株）東芝が保有するメニスカス塗布技術に加えて新たなプロセス開発などにより、従来両立の困難であったセルの大面積化と高効率化を実現する、モジュール面積703cm²（世界最大）で、エネルギー変換効率11.7％のフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールを開発しました。面積の広さに加え、しなやかさと軽量性を併せ持つことで、将来の太陽電池の設置場所拡大につながることが期待されます。

今後、さらなる大面積化を進め、材料塗布･印刷技術の開発やペロブスカイト層の材料改良などにより、結晶シリコン太陽電池並みの高効率を目指すとともに、最終的にはプロジェクト目標である2030年に発電コスト7円／kWhの実現に向けて、さらに研究開発を進めます。

図1　面積世界最大のフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュール
（24.15cm×29.10cm、面積703cm²）

1．概要

現在、主流となっている結晶シリコン太陽電池は、重量および形状の面から設置場所が限られています。フィルム型ペロブスカイト太陽電池^※1は、フレキシブルで軽量なため、従来は設置できなかった耐荷重性の低い建築物への設置や、ZEBやZEH^※2の普及にもつながる壁への設置など、多様な設置形態を可能とします。加えて、安価な材料で、かつ塗布・印刷によって形成でき低コストで製造可能なため、次世代太陽電池として注目されています。一方で、小面積セル（0.09cm²）ではエネルギー変換効率22.7％^※3と結晶シリコン太陽電池セルに迫る高効率が実証されているものの、より大きなセル面積では均一な膜形成が難しく、大きく特性が低下する傾向にあります。また、フィルム上への成膜も難しいため、15cm×15cmを超えるサイズのモジュールは実現されていませんでした。

このような中、NEDO事業^※4において（株）東芝は、（株）東芝が保有するメニスカス塗布技術^※5に加えて新たなプロセス開発などにより、従来両立の困難であったセルの大面積化と高効率化を実現し、世界最大面積（703cm²）のフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールを開発し、エネルギー変換効率11.7％^※6を実現しました。

今後、フィルム型ペロブスカイト太陽電池は、生産性向上によるさらなる低コスト化やモジュールの軽量化で既存の太陽電池が設置できなかった用途への適用が期待され、大面積塗布･印刷技術の開発に加え、実用化サイズとして想定される900cm²を目指し、さらなる大面積化を進めるとともに、ペロブスカイト層の材料改良などにより、結晶シリコン太陽電池並みの高効率実現を目指します。最終的にはプロジェクトの目標である2030年に発電コスト7円／kWhの実現を目指して、さらに研究開発を進めていきます。

なお本成果については、6月20日からパシフィコ横浜で開催される第13回再生可能エネルギー世界展示会^※7のNEDOブースで試作品を展示します。

2．今回の成果

メニスカス塗布技術でモジュールサイズを拡大

大面積向けの塗布プロセスの開発を行い、インク組成を工夫することで、基板上でのヨウ化鉛（PbI2）とヨウ化メチルアンモニウム（CH3NH3I）（MAI）の反応を制御しました。また、塗布する際のプロセス制御とペロブスカイト結晶成長条件の適正化を行うことで、大面積での面内膜厚均一性、結晶膜質の均質性を高めることに成功しました。その結果、実用モジュール（900cm²）に近いサイズ（703cm²）でも変換効率11.7％が得られ、実用化に一歩近づきました。

図2　メニスカス塗布技術によるフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュール製造イメージ

図3　大面積向けの塗布プロセスの開発

【注釈】

※1 ペロブスカイト太陽電池

光吸収層がペロブスカイト結晶で構成されている太陽電池です。

※2 ZEBやZEH

ZEB（Net Zero Energy Building）は非住宅系の建物、ZEH（Net Zero Energy House）は住宅系の建物が対象で、建物全体でのエネルギー負荷抑制と高効率設備システムなどにより、室内環境の質を維持しつつ大幅な省エネルギー化を実現した上で、再生可能エネルギーを導入して、年間の1次エネルギー消費量の収支をゼロとすることを目指した建築物のことです。

※3 エネルギー変換効率22.7％

KRICT（韓国科学技術研究所）より発表されているペロブスカイト太陽電池小面積セルの世界最高値です。