世界最高のエネルギー変換効率15.1%を実現した フィルム型ペロブスカイト太陽電池を開発

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軽量で曲げることが可能で多様な場所に設置できる次世代太陽電池の実用化に向け前進し、カーボンニュートラル社会の実現に貢献へ

2021-09-10 株式会社東芝

概要

当社は、新たな成膜法を開発することにより世界最高(*1)のエネルギー変換効率 (*2)15.1%を実現したフィルム型ペロブスカイト太陽電池(*3)を開発しました。当社は、2018年6月にペロブスカイト太陽電池として世界最大(*4)サイズ(703cm2, *5)のモジュールを開発していますが、今般、この世界最大サイズを維持しながら、成膜プロセスの高速化と変換効率の向上に成功しました。15.1%は、現在普及している多結晶シリコン型の太陽電池のエネルギー変換効率に相当します。また、フィルム型ペロブスカイト太陽電池は軽量薄型で曲げることができるため、従来は設置ができなかった強度の弱い屋根やオフィスビルの窓など多様な場所に設置することができます。例えば、エネルギー変換効率15.1%のフィルム型ペロブスカイト太陽電池を、東京都23区内の建物の屋上および壁面の一部に設置した場合、原子力発電所2基分(東京都23区の家庭内年間消費電力量の2/3相当)の発電が見込めます(*6)。

今回新たに開発した成膜法は、従来2段階(2ステッププロセス)で行っていたペロブスカイト層の成膜を、1段階(1ステッププロセス)で行うものです。2ステッププロセスは成膜プロセスの高速化とペロブスカイト層組成の均一化に課題がありましたが、インク、成膜プロセスおよび装置の開発を行うことで、大面積に均一塗布することが可能な1ステッププロセスの成膜技術を確立し、成膜プロセスの短縮を実現しました。また、本技術は、塗布速度も高速化が可能であり、5cm角のセルでは、量産時に必要と想定されるスペック(*7)を満たす6m/分の塗布速度を達成しており、大面積の成膜プロセスでの更なる高速化が見込めます。本技術により、従来困難であった生産プロセスの高速化とエネルギー変換効率の向上が両立できるため、発電コスト低減への貢献も期待できます。

当社は本成果の詳細を、2021年9月10日からオンラインで開催される第82回応用物理学会秋季学術講演会にて発表します。

開発の背景

カーボンニュートラル社会の実現に向けて、再生可能エネルギーの導入拡大が進んでいます。国内でも、再生エネルギーを将来の主力電源と位置付け、2030年には発電量の約36%~38%、2050年には約50~60%を再生可能エネルギーとする計画案も発表されています(*8)。特に太陽光発電の発電量の増加はカーボンニュートラルの実現に不可欠であり、発電効率の向上に加えて設置場所の大幅な拡大が必要となります。一方で、現在主流の結晶シリコン太陽電池では、重量および形態の面から設置場所が限られており、更なる太陽光発電の拡大には、多様な場所に設置可能でかつ結晶シリコン並みの変換効率を持つ太陽電池の開発が求められています。これらの要素を満たす次世代の太陽電池として、フィルム型ペロブスカイト太陽電池が注目されています。
当社では、独自のメニスカス塗布印刷技術により、これまで、世界最大サイズである703cm2でエネルギー変換効率14.1%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ていますが、実用化に向けて更なる変換効率の向上や低コスト化が求められています。

従来技術と課題

当社が従来採用してきたペロブスカイト層の成膜法は、2ステッププロセスと呼ばれる手法で、基板上に塗布したPbI2膜の上から、MAIインク(*9)を塗布することでMAPbI3膜(*10)を成膜します。この手法では、PbI2とMAIの反応を制御することが難しく未反応物が残ること、工程数が多いこと、塗布速度が低速であることから、より量産に適した手法が求められていました。予めMAIとPbI2を混合したMAPbI3インクを塗布して成膜する1ステッププロセスと呼ばれる手法がありますが、MAPbI3結晶の成長を制御することが難しく、特に大面積に均一に塗布するのが困難であり、新たな塗布法の開発が必要でした(図1右)。

図1: 従来の2ステッププロセスによるメニスカス塗布法の課題(左)とスピンコート法を用いた1ステッププロセスの課題(右)

本技術の特長

そこで、当社は、フィルム型ペロブスカイト太陽電池のエネルギー変換効率向上と低コスト化への貢献が見込める新たなペロブスカイト層の成膜法として、MAPbI3結晶の成長を制御することができる1ステッププロセスのメニスカス塗布法(1ステップメニスカス塗布法)を開発しました。新たに、MAPbI3インク、乾燥プロセス、装置の開発を行うことで、大面積を均一に塗布することに成功しました。成膜プロセスの工程が従来の半分となり、さらに、塗布速度の高速化が可能になります。塗布速度においては、5cm角で量産時に必要と想定するスペックを満たす速度6m/分を達成しました。また、均一に塗布することで、フィルム型ペロブスカイト太陽電池としては、世界最大面積である703cm2のモジュールで世界最高エネルギー変換効率15.1%を達成しました。今回開発した新たな手法により、エネルギー変換効率の向上と生産プロセスの高速化を両立することが可能となり、高効率かつ低コストなフィルム型ペロブスカイト太陽電池の実用化に向けて大きく前進しました。

図2: 新たに開発した1ステップメニスカス塗布法の概図とIV曲線

図2: 新たに開発した1ステップメニスカス塗布法の概図とIV曲線

図3: 1ステップメニスカス塗布法を用いて作製した大面積フィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュール

図3: 1ステップメニスカス塗布法を用いて作製した大面積フィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュール

今後の展望

今後当社は、実用化サイズとして想定される、受光部サイズ900cm2を目指して更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等で、エネルギー変換効率20%以上の実現を目指します。これにより、ペロブスカイト太陽電池において、製造コスト15円/Wの実現に貢献していきます。

なお、今回開発したペロブスカイト太陽電池の技術およびそれを用いたモジュールはNEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の「太陽光発電主力電源化推進技術開発」事業の成果です。


*1 プラスチック基板で構成される受光部サイズ 100cm2以上のフィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールにおいて、当社調べ(2021年9月10日現在)

*2 太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する効率

*3 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

*4 当社調べ(2021年9月10日現在)

*5 受光部サイズは、24.15cm×29.10cm(702.765cm2)

*6  当社調べ 23区内の総屋根面積(164.9km2
https://www.jstage.jst.go.jp/article/aija/69/581/69_KJ00004229303/_pdf)をもとに試算。屋上への設置のみで原子力発電所2基分が発電できると見込める。

*7 当社調べ

*8 経済産業省 2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン戦略
https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012-1.pdf(3.23MB)

エネルギー基本計画(素案)概要
https://www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_subcommittee/2021/046/046_004.pdf(1.28MB)

*9 PbI2:ヨウ化鉛、MAI:ヨウ化メチルアンモニウム(CH3NH3I)

*10 有機無機ハイブリッド型ペロブスカイト材料の一つであり、MAIとPbI2の混合により生成する

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