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発表・掲載日:2008/08/29

CIGS太陽電池モジュールで結晶シリコン太陽電池並の変換効率を実現

-量産型CIGSサブモジュールでの変換効率15.9%を達成-

ポイント

  • 次世代の太陽電池として期待されているCIGS太陽電池モジュールを高効率化
  • 市販のCIGS太陽電池モジュールと同じ構造を用いて高性能を実現
  • コストと性能で多結晶シリコン太陽電池に競合可能

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】(以下「産総研」という)太陽光発電研究センター【研究センター長 近藤 道雄】化合物薄膜チーム 仁木 栄 研究チーム長は、CIGS系太陽電池の、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなる光吸収層の高品質化技術と集積化技術を開発し、量産型CIGSサブモジュールでのエネルギー変換効率15.9%(正式測定値)を実現した。

 現在、市販されているCIGS太陽電池モジュールの効率は11-12%程度である。今回、高品質なCIGS光吸収層を大面積で均一に製膜する技術を開発したこと、そしてその高品質なCIGS光吸収層の特性を生かしたプロセスを確立したことにより、10cm角のガラス基板を用いたサブモジュールでの変換効率が15%を越え、最も普及している多結晶シリコン太陽電池に対してコスト、性能ともに競合できる可能性を示した。

 今回の開発は、太陽電池市場におけるCIGS太陽電池の競争力を向上するものであり、導入・普及の加速が期待される。

 本技術の詳細は、2008年9月1日~5日にバレンシア(スペイン)で開催される第23回欧州太陽光発電国際会議(23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition)で発表される。

図1

図1 10cm角集積型CIGSモジュールの写真


開発の社会的背景

 地球温暖化対策の重要性が高まるにつれ、太陽光発電への期待はますます高まっている。世界の太陽電池生産量は毎年30%以上の割合で増え続けている。国内の太陽電池の累積設置量は、2006年時点で1.7ギガワット(GW)に達したが、2010年までに4.82GW、2030年までに83GW(国内全電力の約10%)という導入目標が設定されており、今後桁違いに大量の太陽電池の導入が求められている。

 現在、太陽電池の生産量の約9割は結晶シリコン太陽電池が占めているが、シリコン原料が不足し、その生産量はシリコン原料の供給によって制限されているのが現状である。また、さらなる導入普及のためには低コスト化が必須である。CIGS系、薄膜シリコン系などの薄膜太陽電池は大量生産による低コスト化が期待され、各メーカーが量産化に着手している。

 CIGS太陽電池は、研究室レベルの小面積(0.5cm2程度)のセルでは最大変換効率19.9%という高効率が実現されている一方で、商品化されたモジュールの変換効率は11-12%程度に留まっている。実用レベルの大面積CIGS太陽電池モジュールの高効率化が急務となっている。

研究の経緯

図2

図2 CIGS太陽電池の典型的な構造

 図2はCIGS太陽電池の典型的な構造である。ガラス基板上に各種材料からなる多層膜を形成して作製する。中でも光吸収層は太陽電池の心臓部であり、結晶の品質が性能を大きく左右する。

 CIGS光吸収層の製膜法は主に2種類がある。一つはセレン化法と呼ばれ、Cu-In-Gaプレカーサーをセレン化水素の雰囲気中で熱処理して製膜するものである。大面積製膜が可能であり、ある程度の効率も実現できる。

 もう一つは、多元蒸着法という手法で、Cu、In、Ga、Se原料をそれぞれ別々のルツボから蒸発させて製膜する手法である。欠陥が少なく粒径が大きい高品質なCIGS薄膜が作製できるが、大面積で均一な膜を作製することが難しいとされていた。産総研では、これまでモジュールの高性能化をはじめ、多元蒸着法によるCIGS太陽電池のさまざまな技術開発に取り組み、その事業化を目指している。

 なお、本研究は、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構の委託事業「太陽光発電システム未来技術研究開発」において実施されたものである。

研究の内容

図3

図3 小面積セル(左)と集積型モジュール(右)の構造

 CIGS太陽電池は、研究室レベルの小面積(0.5cm2程度)のセルでは最大変換効率19.9%という高効率が実現されている一方で、商品化されたモジュールの変換効率は11-12%程度に留まっている。小面積セルと集積型モジュールの構造の違いを図3に示す。小面積セル、集積型モジュールとも、ガラス基板、モリブデン(Mo)裏面電極、CIGS光吸収層、バッファ層、窓層までの多層膜の構造は全く同じであり、小面積セルのみ表面に金属電極を必要とする。最も大きな違いは集積型モジュールにおいては、P1、P2、P3という3段階のパターニング工程が必要となることである。このパターニングによってP3で切り分けられた個々のセルが電気的に接続されることで集積化が可能になる。集積型モジュールでは、このパターニングによって太陽電池として動作しない不活性な領域が全面積の5-10%をしめる。また、主に縦方向だけに電流が流れる小面積セルの場合と異なり、集積型モジュールでは最大3-5mmの幅にわたって透明導電膜の中を電気が流れる(図3の赤の矢印が電流の流れを模式的に示す)。そのため透明導電膜の電気抵抗を下げる必要があり、小面積セルよりも厚い透明導電膜が必要になる。透明導電膜とはいっても完全に透明ではないために透明導電膜中での光吸収によって入射光強度が減少する。不活性な領域と透明導電膜での光吸収の両方の損失を合わせると変換効率の低下は絶対値で2-3%程度と見積もられる。したがって、小面積セルで18-19%程度の変換効率が実現できれば15%以上の変換効率を持つ集積型モジュールの実現は十分に可能なはずである。

図4

図4 多元蒸着装置の模式図

 産総研では、研究室レベルの小面積セルと市販の大面積モジュールとのエネルギー変換効率のギャップの主な原因はCIGS光吸収層の結晶品質の違いであると考え、大面積で高品質なCIGS光吸収層を製膜する技術の開発を目指した。結晶品質の高い、すなわち、欠陥が少なく、結晶粒径が大きいCIGS薄膜を製膜できる多元蒸着法を選択し、その大面積化に取り組んできた。多元蒸着法とは、Cu、In、Ga、Seの各々のルツボを加熱することで製膜を行う手法である。装置の模式図を図4に示す。

 今回、10cm角のガラス基板上に均一かつ高品質なCIGS光吸収層を製膜するために、ルツボの形状や基板加熱機構に改良を加えた。また、最も高い変換効率が実現可能な3段階蒸着法を用いた。3段階蒸着法のフラックスと温度の制御を図5に模式的に示す。第1段階では、In、Ga、Seを照射し、Mo電極との付着性を向上する。第2段階では、Cu、Seを照射し、大粒径かつ欠陥の少ないCIGS薄膜を形成する。第3段階では、再びIn、Ga、Seを照射し、金属的な性質を持つ過剰なCu-Se相を除去して製膜を終了する。3段階蒸着法はこれまでは主に小面積セルの作製に使われてきたが、本研究において10cm角基板上にも均一な製膜が可能なことを実証できたことで、大面積モジュールの量産化にも応用できることが示せた。また、量産されているモジュールと同様の集積型のデバイス構造にするために、P1、P2、P3の3種類のパターニング技術の開発にも取り組んだ。P1はMo裏面電極をレーザで、P2、P3は硬質材料の針で機械的にパターニングを行うものである。レーザ光強度や針圧を制御することで正確なパターンの作製が可能になった。

図5

図5 3段階蒸着法の模式図

 蒸着法によるCIGS光吸収層の大面積製膜技術、パターニング技術を基に、さらに今回開発した高品質なCIGS光吸収層の特性を生かすためにプロセスを最適化することで、変換効率15.9%(AIST正式測定値)という結晶シリコン並の高効率なCIGSサブモジュールの実現が可能になった。この成果は、CIGS太陽電池のポテンシャルの高さを示したものであり、今後さらにプロセスを改良することで小面積セルとの変換効率の差を縮められれば市場での競争力は飛躍的に向上する。

図6

図6 集積型CIGS太陽電池モジュールの性能
(変換効率15.9%)

今後の予定

 太陽電池構造やプロセスを最適化することでCIGS太陽電池のさらなる高性能化・大面積化・低コスト化を図る。また、CIGSモジュールの長期信頼性を検討し、結晶シリコン太陽電池と同等以上の信頼性を確保することで事業化を目指した技術移転を進める。

問い合わせ

(研究担当者)
独立行政法人 産業技術総合研究所
太陽光発電研究センター 化合物薄膜チーム
研究チーム長 仁木 栄
E-mail:仁木連絡先

用語の説明

Cu(In1-xGax)Se2 (0≦x≦1)(CIGS)系太陽電池
銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)からなるカルコパイライト型と呼ばれる結晶構造を持つ半導体材料Cu(In,Ga)Se2を用いた太陽電池。1974 年に米国のベル研究所がCuInSe2/CdSへテロ接合太陽電池により~5%の変換効率を報告したのを発端とし、現在まで世界各国の大学・研究機関・民間企業において研究開発と製品化が進められている。In、Ga などのIII族元素組成比の制御や、硫黄(S)の混合などによって禁制帯幅(バンドギャップ)を制御できるのが特徴。現在のところ薄膜太陽電池としては最も高い実効変換効率19.9%が、米国の再生可能エネルギー研究所より報告されている。[参照元に戻る]
◆Cu-In-Gaプレカーサー
セレン化法によるCIGS製膜において、スパッタ法などで基板上に形成された銅ガリウム合金やインジウムなどの層状金属膜のこと。これをセレン化水素雰囲気で熱処理することでCIGS光吸収層が得られる。[参照元に戻る]
◆粒径
一般にCIGS太陽電池の光吸収層は多結晶CIGS薄膜である。この結晶粒の大きさを粒径という。[参照元に戻る]
◆パターニング技術
同一基板上に複数の太陽電池セルの直列接続を形成し太陽電池モジュールを作製するための集積化工程のための技術。[参照元に戻る]



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