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発表・掲載日:2017/06/13

高効率ガリウムヒ素太陽電池を低コストで製造

-太陽電池製造用の HVPE装置、国内の商用機製品化を後押し-

ポイント

  • ガリウムヒ素太陽電池製造用の世界初の水平置き縦型ハイドライド気相成長(HVPE)装置
  • 高速で面内均一性の良い成膜を実現、水平置き縦型で将来の成膜面積の大型化・大口径化にも道筋
  • 製造の低コスト化によって、ガリウムヒ素太陽電池の一般用途としての普及へ貢献


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(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 松原 浩司】先進多接合デバイスチーム 菅谷 武芳 研究チーム長、大島 隆治 主任研究員、牧田 紀久夫 主任研究員は、大陽日酸株式会社 【代表取締役社長兼CEO 市原 裕史郎】(以下「大陽日酸」という)、国立大学法人 東京農工大学 【学長 大野 弘幸】(以下「東京農工大学」という)と共同で、低コストでガリウムヒ素(GaAs)太陽電池を高いスループットで製造できるハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)装置を開発した。

 太陽電池の発電効率を高める次世代技術として、複数の種類の太陽電池を積層させた多接合太陽電池の研究開発が近年盛んに行われている。中でもGaAs太陽電池は太陽電池の中でも発電効率に優れていることから、多接合太陽電池のトップセルミドルセルとしての利用が期待されている。しかし、GaAs太陽電池の有機金属気相成長(MOVPE)装置を用いた従来の製造方法では高価な有機金属を用いるために製造コストが高く、製造コストを低減する技術が求められていた。

 今回、三者はMOVPE装置と比較して製造方法の大幅な低コスト化を実現できるHVPE法を用いた成膜技術に着目して、高速に成膜できる太陽電池製造用のHVPE装置の開発に取り組んだ。開発したHVPE装置の成膜を行う機構にはマルチチャンバー方式を採用し、更には製造できる太陽電池の大型化・大口径化に繋がるよう装置の構造を水平置き縦型とした。また、GaAs太陽電池を基板全面に均一性良く製造することができるなど面内均一性にも優れ、同装置を用いて試作したGaAs太陽電池はHVPE装置によるものとしては世界トップレベルの発電効率20.3 %を実現した。この成果は、太陽電池製造用HVPE装置の製品化の後押しとなることが期待される。

 なお、この技術の詳細は、2017年6月13~14日につくば国際会議場(茨城県つくば市)で開催されるAIST 太陽光発電研究 成果報告会2017で発表される。

今回開発したHVPE装置の反応炉(左)と反応炉内の成長メカニズム(右)の図
今回開発したHVPE装置の反応炉(左)と反応炉内の成長メカニズム(右)


開発の社会的背景

 太陽電池の中でも現在主流のシリコン(Si)などの単接合太陽電池の発電効率は理論限界に近付いている。そこで、波長の異なる太陽光を有効利用できるように、吸収できる光の波長域が異なる複数の太陽電池を積層させた多接合太陽電池が発電効率を高める次世代技術として開発が進んでいる。中でも、III-V族化合物太陽電池の一つであるGaAs太陽電池は他のどの太陽電池より発電変換効率に優れていることから、多接合太陽電池のトップセルやミドルセルとしての利用が期待されている。

 GaAs太陽電池の製造には主としてMOVPE製造装置が用いられているが、ガリウム(Ga)やインジウム(In)の原料として高価なトリメチルガリウム、トリメチルインジウムなどの有機金属を用いるために製造コストが高く、現在は主に集光型太陽電池や宇宙用等として用いられている。一般用途としてのGaAs太陽電池の利用を進めるために、安価な純金属を原料として用いて成膜コストを低減でき、かつ成膜スピードもMOVPE装置の10倍以上を実現できるHVPE装置が注目されているが、成膜の高速性とナノメートルオーダーの制御性、均一性は一般的にトレードオフ関係にあり、太陽電池製造用のHVPE装置の商用機は開発されていない。また、米国再生可能エネルギー研究所(NREL)が太陽電池製造用途の縦型炉(図1)を試作しているが、縦型炉では商用機の実現に必要な成膜面積の大型化・大口径化が課題と言われている。

HVPE装置の種類の図
図1 HVPE装置の種類
一般的な縦型炉(左)と開発した水平置き縦型炉(右)

研究の経緯

 産総研 太陽光発電研究センターは、平成27年度より超高効率・低コストIII-V族化合物太陽電池モジュールの研究開発においてGaAs太陽電池の低コスト化を目指している。また、大陽日酸と東京農工大学は窒化ガリウム(GaN)バルク基板の製造用途として水平置き縦型HVPE装置の開発を進めてきた。そこで今回、三者は共同でGaAs太陽電池を製造するための商用機開発を目指した水平置き縦型HVPE装置の試作機の開発に取り組んだ。

 なお、本研究開発は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構の委託事業「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発/革新的新構造太陽電池の研究開発/超高効率・低コストIII-V化合物太陽電池モジュールの研究開発(低コスト化技術・量子ドット成長技術)」(平成27~29年度)による支援を受けて行った。

研究の内容

 今回、太陽電池用のHVPE商用機の開発を行うにあたり、ガスの熱対流や温度の制御がしやすく、大型化・大口径化に有利である水平置き縦型炉を基本とした装置開発を進めた。開発したHVPE装置の反応炉はGa、Inの原料金属を入れたボートが設置されている原料部とGaAs基板が設置される基板部から構成された非真空かつシンプルな装置構成であり(図2)、MOVPE装置と比較して装置導入コストの低減が可能である。原料部、基板部は独立した電気炉ヒーターによってそれぞれ850 °Cと710 °Cに加熱されている。HVPE装置は塩化水素(HCl)ガスを用いるので、反応炉や原料ノズル、原料ボートは腐食耐性に優れた石英で作製した。今回のGaAs太陽電池はGaAsやインジウムガリウムリン(InGaP)層を含んだ多層構造で構成されている(図3)。これらの成膜に必要な塩化ガリウム(GaCl)や塩化インジウム(InCl)は、ノズルから供給されるHClガスとボート内の原料金属が反応して生成される。外周ノズルからはアルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)、n型、p型を制御するためのドーピング原料の硫化水素(H2S)、ジメチル亜鉛(DMZn)などが供給される。これらの原料ガスは同じラインから供給される水素(H2)キャリアによって混合、均一化されながらGaAs基板に輸送されて成膜される。HClガスと原料金属が効率よく反応できるように石英ボートを設計し、一般的なMOVPE装置では困難であった 30 μm/h以上の高速成長を実現できた。

開発したHVPE装置の反応炉(上)と反応炉内の概略図(下)の図
図2 開発したHVPE装置の反応炉(上)と反応炉内の概略図(下)

開発したHVPE装置を用いて作製されたGaAs太陽電池の構造図
図3 開発したHVPE装置を用いて作製されたGaAs太陽電池の構造図
バリア層は発生した電子・正孔が逆流することによる損失を抑える役割がある。

 HVPE装置ではH2キャリアによって原料ガスが輸送されるために、H2キャリアと原料の混合ガスが基板部に到達するまでに1~2分かかる。そのため、ガス種の切り替えだけでは、膜の種類を瞬時に切り替えることができず、多層構造を安定して高速成膜するには構造的な工夫が必要であった。今回、連続して瞬時に膜の種類を切り替えることができるように、GaAsを成膜するための成膜室A、InGaPを成膜するための成膜室B、AsH3、PH3雰囲気中で熱クリーニングを行うための待機室Cの3室マルチチャンバー方式を採用した。ガスの広がりなどによって各室間で原料ガスが相互に汚染しあって膜の品質が劣化することを防ぐため、原料ガスがノズルから基板に到達するまでに広がらないようにノズル形状を改良した。マルチチャンバー化によって、予め成膜用のガス種の異なる成膜室を用意し、成膜室を適切なタイミングで切り替えて(図4)、明確な界面を有する多層構造の成膜を実現した。

開発したHVPE装置の成長シーケンスの概要の図
図4 開発したHVPE装置の成長シーケンスの概要

 今回開発したHVPE装置を用いて成膜したGaAs太陽電池の電流-電圧特性を調べたところ(図5)、短絡電流密度26.4 mA/cm2開放電圧0.93 V、曲線因子83.0 %、発電効率20.3 %が得られた。この結果は、NRELで試作された縦型炉を用いて作製されたGaAs太陽電池とほぼ同等(効率20.6 %)のHVPEとして世界トップレベルの性能の太陽電池が、開発した水平置き縦型HVPE装置により実現できていることを示している。

開発したHVPE装置を用いて作製されたGaAs太陽電池の電流-電圧特性の図
図5 開発したHVPE装置を用いて作製されたGaAs太陽電池の電流-電圧特性

 今回のHVPE装置開発では、基板の大型化・大口径化に資する高い均一性を維持することが重要である。一般的な縦型炉と比較して、水平置き縦型炉はガス流が反応炉の設計や原料ガスの比重によって大きく影響を受けるために原料ガスを均一に基板に供給することが難しい。均一性を高めるための技術として、原料ガスが均一に基板に供給されるように原料ノズルを改良し、基板回転機構を導入した。この装置を用いて2インチGaAs基板上に作製された5 μm厚のGaAs薄膜の膜厚分布を調べたところ(図6)、従来技術では面内均一性は30.1 %であったが、装置改良によって均一性が2.5 %に向上し、均一性の良いGaAs太陽電池を製造するのに十分な性能を実現した。この技術によって、産業用に使用されている4インチ以上への大口径化が可能となる。

 以上の技術は、高効率なGaAs太陽電池を高速成膜で均一性良く製造する水平置き縦型HVPE装置の商用機への展開が可能であり、GaAs太陽電池製造コストの大幅な低減が期待できる。

基板回転を導入して成膜した2インチウエハー上の5 μm厚GaAs膜の膜厚分布の図
図6 (左)開発当初(従来技術)、(中)ノズル改良後、(右)ノズル改良後、基板回転を導入して成膜した2インチウエハー上の5 μm厚GaAs膜の膜厚分布

今後の予定

 今後は、GaAs太陽電池が一般用にも広く普及できるように、一層の低コスト化と高効率化の研究を進める。特に生産性向上のために、100 μm/h以上に高速化させた成膜速度で産業用の4インチ以上に大口径基板上に均一性良く太陽電池を成膜する技術に展開させる。更には、産総研が保有しているスマートスタック技術による接合を利用して、HVPE装置によって製造された低コストGaAs太陽電池と安価なSi太陽電池を組み合わせた低コスト・高効率多接合太陽電池の実現を目指す。



用語の説明

◆多接合太陽電池
種類の異なる(異なる波長の太陽光を吸収する)太陽電池を直列につなぎ合わせ、太陽光の幅広い波長領域を吸収させて変換効率を高めた太陽電池。出力電圧は各セルの電圧の合計になるため、接合数が大きいほど大きくなる。太陽電池の接合数により、2接合、3接合、4接合太陽電池と呼ばれる。[参照元へ戻る]
◆トップセル、ミドルセル
3接合太陽電池の場合、最表面側に置かれている太陽電池をトップセル、真ん中の太陽電池をミドルセル、最も基板側に置かれるものをボトムセルと呼ぶ。トップセルにはバンドギャップが最も大きい半導体を使用し、それより短波長の光を吸収して長波長の光を透過させる。ボトムセルは、バンドギャップが最も小さい半導体を使用し、トップセル、ミドルセルを透過した光を吸収する。[参照元へ戻る]
◆発電効率
太陽電池の発電効率は、発生した電気エネルギー/入力された光エネルギー×100 %で計算される。通常は、ソーラーシミュレーターと呼ばれる疑似太陽光源を用いて計測される。[参照元へ戻る]
◆単接合太陽電池
Si等の単体の材料で構成される太陽電池。吸収できる波長は材料によって異なり、吸収できない波長の太陽光は透過により損失となる。Si太陽電池では理論上約29 %が発電効率の限界である。[参照元へ戻る]
◆III-V族化合物太陽電池
III族元素(Ga, Inなど)とV族元素(P, Asなど)からなる化合物半導体で構成された太陽電池。GaAs、InP、InGaP、InGaAsがある。これらの太陽電池の変換効率は非常に高いが、製造コストが高いことが課題であり、現在は宇宙用や集光用での応用が殆どである。[参照元へ戻る]
◆バルク基板
結晶成長やデバイス作製に用いられる単体材料からなる単結晶基板。[参照元へ戻る]
◆ドーピング原料
GaAsなどの半導体材料に不純物元素を加えて導電性を制御することをドーピングと呼ぶ。ドーピングに用いる原料をドーピング原料と呼ぶ。GaAs太陽電池では亜鉛(Zn)をドーピングしたp層と硫黄(S)をドーピングしたn層を積層させたpn構造が一般的である。[参照元へ戻る]
◆短絡電流密度
太陽電池を短絡状態にしたときに流れる電流の密度。一般的には、規格で定められた照度・スペクトルをもつ基準太陽光で太陽光を照射したときに得られる電流密度のことを言う。JSCと略記される。[参照元へ戻る]
◆開放電圧
太陽電池を電気的に開放状態にしたときに得られる電圧。一般的には、規格で定められた照度・スペクトルをもつ基準太陽光で太陽光を照射したときに得られる開放電圧のことを言う。VOCと略記される。[参照元へ戻る]
◆曲線因子
太陽電池の性能を表す指標の一つでFF(Fill Factor)とも呼ばれる。FFは太陽電池の単位面積当たりの最大の出力(Pmax)を、開放電圧(VOC)と短絡電流密度(JSC)の積で割ることで算出できる。
FF (%) = Pmax ÷ (VOC × JSC) × 100 [参照元へ戻る]
◆スマートスタック技術
複数の太陽電池セルの接合界面にパラジウム(Pd)ナノ粒子を配列させ、電気的・光学的にほぼ損失なく接合する技術。接合界面にPdナノ粒子が介在するスマートスタック技術では、表面は必ずしも原子的に平坦である必要がなくなり、III-V族化合物同士のみならずに、III-V族/Si、III-V族/CIGSの接合が可能となることが特徴である。[参照元へ戻る]



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