高効率な多接合太陽電池の普及を加速させる技術を開発

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低コスト成膜技術で困難だったアルミニウム系材料の太陽電池導入を可能に

2020-10-15 産業技術総合研究所

ポイント

  • 安価な原料を用いた成膜法では困難だったアルミニウム系材料を高品質に成膜できる装置を開発
  • 今回開発した手法で成膜したアルミニウム系材料の太陽電池への応用を実証
  • 高効率III-V族化合物太陽電池の普及の加速・拡大へ道筋

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】(以下「産総研」という)ゼロエミッション国際共同研究センター【研究センター長 吉野 彰】多接合太陽電池研究チーム 菅谷 武芳 研究チーム長、庄司 靖 研究員、大島 隆治 研究チーム付、牧田 紀久夫 招聘研究員は、大陽日酸株式会社 【代表取締役社長 永田 研二】(以下「大陽日酸」という)と共同で、次世代太陽電池普及の鍵となるハイドライド気相成長(HVPE)法によってアルミニウム(Al)系材料の成膜と、その太陽電池応用を可能にする装置を開発した。

HVPE法は、従来の成膜技術よりも安価な原料で高速に成膜できる技術で、特にIII-V族化合物太陽電池の低コスト化技術として期待されている。しかし、太陽電池の高効率化や薄膜化に必須のAl系材料の成膜に課題があった。今回、反応炉内部でAl原料を500°Cの低温で加熱できる装置を開発し、石英反応炉と反応しにくい三塩化アルミニウム(AlCl3)を発生させることで、アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン(AlInGaP)層やアルミニウム・ヒ素(AlAs)層の高品質な成膜が可能となり、太陽電池への導入を実現した。AlInGaPが導入されたインジウム・ガリウム・リン(InGaP)太陽電池では、表面近傍の電流損失が抑制され発電効率が向上した。また、AlAs層を用いることにより、作製時に必要な高価な基板と太陽電池層を分離でき、基板の再利用による低コスト化が期待できる。また、分離された太陽電池層は薄膜なので産総研保有の接合技術であるスマートスタックが適用でき、異種材料との接合でさらに高効率化と低コスト化ができる。今回開発した技術はIII-V族化合物太陽電池の低コスト化と高効率化に大きく寄与する技術であり、超高効率太陽電池を身近なものとする突破口として期待される。

概要図

今回開発した装置反応炉(上)とこの装置によりIII-V族化合物太陽電池で得られる効果(下)

 

開発の社会的背景

III-V族化合物太陽電池はバンドギャップの異なる材料を積層させた多接合構造を形成することにより、太陽光の利用波長域を拡張し、高い発電効率が得られる。太陽光の入射側から順にバンドギャップが小さくなるように太陽電池セルが直列に接続され、上部のセルを透過した光が下部のセルで吸収される。特にIII-V族化合物材料を用いた多接合太陽電池は現存する太陽電池の中で最も発電効率が高く、放射線への耐性もあるため人工衛星などで利用されている。しかし、電気自動車などの身近なものに広く活用することが長年期待されてきたものの、製造コストの高さが大きな課題であった。製造コストが高い主な理由は、従来の成膜法は原料や基板が高価なうえに成膜速度が遅いことである。

研究の経緯

産総研では、平成27年度よりIII-V族化合物太陽電池の製造コストを有機金属気相成長法よりも大幅に削減できるHVPE法を用いた成膜技術に着目し、大陽日酸と共同で水平置き縦型HVPE装置の開発を進めてきた(2017年6月13日 産総研プレス発表)。この技術による高速の成膜は実証されたが、InGaP太陽電池セルの高性能化と基板コストが大きな課題であり、これらを解決するにはAl系材料の高品質成膜が必要であった。そこで今回、AlCl3を前駆体として供給できるHVPE法の装置を開発し、AlInGaPやAlAsなどの高品質成膜と、それらの太陽電池への応用に取り組んだ。

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