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太陽光チーム

薄型結晶シリコン太陽電池モジュール技術

研究背景

 太陽光発電は、2012年7月から開始した固定価格買取制度のもと、急速に導入量が増加してきました。それまでの住宅の屋根への設置に加えて、メガソーラと呼ばれる大規模発電所が各地に設置されるようになっています。このように太陽光発電の普及が進む一方、再エネ賦課金による国民負担も増加しています。このため、太陽光発電のコスト低減は、最も重要な課題となっています。

研究目標

 当チームでは、高効率・高信頼性モジュール(変換効率目標22%)を低コストで作製するための技術開発として、以下の課題に取り組んでいます。
  • シリコンインゴット高精度スライス技術(薄型ウェハの作製)
  • 高効率セル作製技術(PERC型セル、バックコンタクト型セルなど)
  • モジュールの高効率化・高信頼性化技術(新規評価技術や部材などの開発)
 また、次々世代の高効率(セル変換効率30%以上)太陽電池の開発として、スマートスタック技術の研究にも取り組んでいます。これらの課題に取り組むことにより、2020年に14円/kWh、2030年に7円/kWhの発電コスト目標を先導するための技術開発を実施しています。
太陽光発電開発戦略(NEDO PV Challenges)

太陽光発電開発戦略(NEDO PV Challenges)

研究内容

 太陽光発電の将来にわたる持続的な普及・発展には、その中心となる結晶シリコン太陽電池セル・モジュールの一層の高効率化・低コスト化が必要です。当チームでは、結晶シリコンインゴットのスライスからセル・モジュールまでの一貫試作施設を構築し、ウェハ・セル・モジュールを一体とした研究開発を進めています。
 以下に主要な研究開発課題を示します。
  • 薄型ウェハの作製技術

     ダイヤモンドワイヤーを用いたスライス技術を開発しています。現在のウェハ厚さ(0.2mm)から0.12~0.1mmへの薄型化を目指しています(セルの厚さ 0.18mmから0.1~0.08mm)。また、クラックや亀裂とウェハ強度低下の関係を解明することにより、薄くても割れにくいウェハの開発や、ウェハ洗浄工程などにおける歩留り向上を図っています。

  • 高効率セル作製技術(PERC型セル、バックコンタクト型セルなど)

     熱拡散技術だけではなくイオン注入技術を用いたセル作製プロセスの開発に取り組んでいます。このイオン注入技術を有効に用いることでバックコンタクトセル作製のための工程数を大幅に削減することを目指しています。

  • モジュールの高効率化・高信頼性化技術(新規評価技術や部材などの開発)

     絶対EL(Electroluminescence)法による電圧マッピングによる新しいモジュールの評価方法を開発しています。絶対EL法では、太陽電池に順バイアスをかけ、セルからの発光強度から個々のセルの電圧を破壊することなく評価が可能です。

  • 次世代多接合太陽電池「スマートスタック技術」

     バンドギャップの異なる様々な材料を接合する手段として、金属ナノ粒子配列を接合媒体として用いる技術「スマートスタックテクノロジー」を開発しました。金属ナノ粒子配列を用いた世界で初めての高効率タンデム太陽電池であり、格子定数に関係なく様々な太陽電池の接合が簡単に可能になります。
     これまでにGaAs/InP系4接合太陽電池で変換効率31.6%、GaAs/CIGS系3接合太陽電池で24.2%を達成しています(産総研つくばセンターとの共同成果)。量産性にも優れた実用的手法として、対象を拡大しています。
     また、ボトムセルに薄型結晶シリコンを用いれば高効率・低コストを同時達成可能になります。FREAの結晶シリコン太陽電池技術とスマートスタックテクノロジーを融合し、理論限界効率を超える「結晶シリコンスマートスタックセル」の開発を進めています。試作セル(GaAs/Si系2接合)において、良好な接合を確認済みです。

ウェハ(セル)の薄型化 絶対EL(Electroluminescence)法ウェハ(セル)の薄型化による電圧マッピング
ウェハ(セル)の薄型化 絶対EL(Electroluminescence)法ウェハ
(セル)の薄型化による電圧マッピング
スマートスタックの方法 GaAs/Si系2接合スマートスタックセル
スマートスタックの方法 GaAs/Si系2接合スマートスタックセル

主な研究設備

電極焼成炉 スピンエッチング装置 イオン注入装置
電極焼成炉 スピンエッチング装置 イオン注入装置
電極に用いる銀ペーストと拡散層とのコンタクトやアルミBSF層を形成するための装置です。 ウェハを回転させながら片面をエッチングする装置です。保護膜なしで片面のみをエッチングできます。 リンやボロンのイオンを加速して基板に打ち込むための装置です。精密な拡散の制御が可能です。

最近の主な研究成果

  • FREAにおける新規導入装置の立ち上げを行い、FREA標準セル作製プロセス(Al-BSF構造で、メーカの量産品と同等以上の、セル平均効率約19.3%の量産化試作施設)を確立しました。
  • シリコンインゴットのダイヤモンドワイヤーを用いたスライスによる薄型ウェハ(厚さ0.12mm)の作製技術を確立しました。厚さ0.12mmウェハの量産に近い加工条件を確立し、歩留まり99.8%を達成しました。
  • スマートスタック技術を、GaAs/InP系の4接合セルに適用し、変換効率31.6%を達成しました。
  • 厚さ0.1mmの両面受光型太陽電池セルの試作を行いました。
  • イオン注入技術により、ピラミッド状の表面においても深さが均一な拡散層の形成に成功し、イオン注入技術によりセルの変換効率18.7%を達成しました。
  • モジュールの新しい評価技術(絶対EL法、in-situ ACインピーダンス測定法)を開発しました。故障個所を非破壊で同定可能であり、モジュール内の各セルの電圧を個別に評価することが初めて可能になりました。
FREA製結晶シリコンセル イオン注入により形成されたリン拡散層
FREA製結晶シリコンセル イオン注入により形成されたリン拡散層

メンバー

役 職 氏 名  
研究チーム長 高遠 秀尚 Takato Hidetaka
主任研究員 棚橋 克人 Tanahashi Katsuto
研究員 水野 英範 Mizuno Hidenori
研究員 Mitchell Jonathon Mitchell Jonathon
研究員 望月 敏光 Mochizuki Toshimitsu
研究員 立花 福久 Tachibana Tomihisa
研究員 Joonwichien Supawan Joonwichien Supawan