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太陽光モジュールチーム

太陽電池モジュール技術

研究背景

 第6次エネルギー基本計画(2021年10月、閣議決定)における2030年度のエネルギー需給の見通しのなかで、太陽光発電の導入見込量の野心的水準として103.5~117.6GWが示されています。再生可能エネルギーの主力電源化には太陽電池の利用拡大が不可欠であり、立地制約を克服するための技術革新を図るとともに、太陽電池の新たな価値を見出すための取組が必要です。太陽電池は事業用の大規模発電のみならず自家消費や地産地消を行う分散型エネルギー源として、更に災害に対する強靭化の観点からも活用が期待されています。

研究目標

 当チームでは、2030年までの太陽電池の利用拡大に資する以下の技術開発・実証研究等に取り組んでいます。

  • 太陽電池の設置形態の多様化のためのモジュール技術
  • 太陽電池の社会実装に向けた屋外実験
  • 次世代高効率「シリコンタンデム太陽電池」の実用化
 

研究内容

 これまで太陽電池はメガソーラーと呼ばれる大規模発電所や住宅の屋根に設置されてきました。今後、太陽電池を工場の屋根や移動体等に設置して幅広く活用していくため、発電コストの低減を維持しつつ、設置環境に応じた様々な課題を克服するための研究が求められています。
 以下に現在取り組んでいる主な研究課題を紹介します。

1.太陽電池の設置形態の多様化のためのモジュール技術

 耐荷重が小さく重量制限のある工場や倉庫の屋根へ太陽電池を設置するためにはモジュールの軽量化が必要です。また、自動車やドローンを始めとする移動体の多くは流線形であるため、軽さに加え、曲面にも追従できるモジュールが必要とされます。モジュールの重量と剛性はガラスによって決まるため、当チームではガラスレスの軽量・フレキシブルタイプのモジュールの開発を行っています。設置する環境に応じて両面受光型やマルチワイヤー型などセルの種類を使い分け、モジュールの強度や信頼性、耐久性を考慮しながら開発を進めています。

FREAの製造ラインで作製した結晶シリコン太陽電池のガラスレス軽量・フレキシブルモジュールFREAの製造ラインで作製した結晶シリコン太陽電池のガラスレス軽量・フレキシブルモジュール
【図1】FREAの製造ラインで作製したガララスレス軽量・フレキシブル結晶シリコン太陽電池モジュール
結晶シリコン太陽電池の軽量・フレキシブルモジュールの高温高湿試験(試験後のエレクトロルミネッセンス像)
【図2】軽量・フレキシブル結晶シリコン太陽電池モジュールの高温高湿試験
(試験後のエレクトロルミネッセンス像)

太陽電池の社会実装に向けた屋外実験

 太陽電池を新たな環境や用途で使用するとき、太陽電池固有の課題をいち早く把握し、解決していく必要があります。そのため当チームでは、FREAの製造ラインで信頼性評価を終えた太陽電池モジュールを使用して、屋外を中心とした実証試験を行っています。
 固定翼ドローンへ搭載した太陽電池による発電を動力として活用することにより長時間飛行が可能となり、ドローンのサービス拡大につながることが期待されています。ドローンは軽量化が課題であり、さらに固定翼は曲面構造であるため、ガラスレスの軽量・フレキシブル太陽電池が適しています。ガラスレスとすることにより、離着陸を含めた飛行中のモジュールの強度が課題となるため、専用施設を利用した実証試験を通じて、使用環境下でのモジュールの強度特性を調べています。

<関連情報> シーズ支援事業:長時間飛行が可能な太陽電池搭載型固定翼ドローンシステムの開発(PDF)

固定翼へ搭載した太陽電池モジュールと飛行試験の様子
【図3】固定翼へ搭載した太陽電池モジュールと飛行試験の様子

次世代高効率シリコンタンデム太陽電池の実用化研究

 これまで当チームでは低コスト化を主眼にPERC型、裏面電極型、両面受光型の結晶シリコン太陽電池や、スマートスタックセル(ゼロエミッション国際共同研究センターと共同)など高効率太陽電池セル・モジュールの開発を行ってきました。

FREAのセル・モジュール製造ラインで作製した両面受光-裏面電極型モジュール
【図4】FREAのセル・モジュール製造ラインで作製した両面受光-裏面電極型モジュール

 自動車を始めとした移動体では太陽電池を設置する面積が限られます。より高い出力を得るためには、高いエネルギー変換効率をもつ太陽電池セルが必要とされます。当チームでは結晶シリコン太陽電池にペロブスカイト太陽電池を積層したタンデムセルの開発を行っています。
 シリコンとペロブスカイトのタンデム化により、個々の特性を凌駕する高いエネルギー変換効率が期待できます。当チームでは、タンデムセルの実用化を目指し、理論と実験の両面からボトムの結晶シリコン太陽電池セルサイズでの開発を進めています。

ペロブスカイト・シリコンタンデムセルの構造例
【図5】ペロブスカイト・シリコンタンデムセルの構造例

太陽電池の新コンセプト「熱回収型太陽電池」

 半導体材料へ光を照射したとき熱となって失われていたエネルギーを利用し、より高いエネルギー変換効率が得られる「熱回収型太陽電池」を理論的に提案しました。この太陽電池では、単接合シリコンの理論限界効率(約29%)を超えるエネルギー変換効率を得ることが可能です。この理論に基づき太陽光-熱電ハイブリッド素子の一般論を構築しました。そしてモジュールを試作し、その温度特性の検証を進めています。理論的検討と実証実験を繰り返しながら、この新コンセプト太陽電池の実現を目指しています。

熱回収型太陽電池の理論に基づき設計・試作した太陽光-熱電ハイブリッド素子
【図6】熱回収型太陽電池の理論に基づき設計・試作した太陽光-熱電ハイブリッド素子

主な研究成果

  1. 結晶シリコン太陽電池の軽量・フレキシブルモジュール(4セルモジュール)を固定翼ドローンへ搭載し、試験飛行を実施しました。モジュールの剥がれや破損は起こらず、離着陸時の衝撃や飛行時の風圧に耐えられることを実証しました。
  2. スクリーン印刷による電極形成や細線ワイヤーを用いることで、量産に適した両面受光-裏面電極型セル(図4)を作製し、変換効率22.1%を達成しました。
  3. 結晶シリコンスマートスタック技術を、GaAs/Si系の3接合セルに適用し、変換効率27.7%を達成しました。
  4. タンデム太陽電池のトップセルに用いるペロブスカイト太陽電池の作製に関し、100mm角基板において均一な特性を実現しました。
  5. 太陽電池を搭載した電気自動車を導入し、走行ルート、日射量、発電量とバッテリーのデータを取得する実証実験を開始しました。
  6. 熱回収型太陽電池の理論に基づき設計、試作した太陽光-熱電ハイブリッド素子の開放電圧と最大出力が温度とともに上昇し、正の温度特性を示すことを明らかにしました。

主な研究設備

太陽光パネル用ソーラーシミュレータ

各種太陽電池モジュールの電流-電圧特性を測定します。

太陽光パネル用ソーラーシミュレータ
【図8】太陽光パネル用ソーラーシミュレータ

荷重試験装置

屋外へ設置したときと同じ風荷重を太陽光パネルへ印加し、パネルの強度特性を調べます。

荷重試験装置
【図9】荷重試験装置

大型真空ラミネーター

フィルム、封止材、バックシートなどの部材と太陽電池セルをラミネート加工し、軽量・フレキシブルモジュールを作製します。

大型真空ラミネーター
【図10】大型真空ラミネーター

ペロブスカイト太陽電池作製用グローブボックス

小サイズのペロブスカイト太陽電池の作製に使用しています。

ペロブスカイト太陽電池作製用グローブボックス
【図11】ペロブスカイト太陽電池作製用グローブボックス

スピンエッチング装置

基板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。

スピンエッチング装置
【図12】スピンエッチング装置

熱拡散装置

高温の炉内でリンやボロンを基板へ拡散させてp/n接合を形成します。一度に複数枚の基板を処理できます。

熱拡散装置
【図13】熱拡散装置

イオン注入装置

リンやホウ素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。

イオン注入装置
【図14】イオン注入装置

電極焼成炉

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。

電極焼成炉
【図15】電極焼成炉

メンバー

役職 氏名  
研究チーム長 棚橋 克人 TANAHASHI Katsuto
主任研究員 望月 敏光 MOCHIZUKI Toshimitsu
主任研究員 上出 健仁 KAMIDE Kenji
主任研究員 立花 福久 TACHIBANA Tomihisa
研究チーム付 水野 英範 MIZUNO Hidenori
国立研究開発法人 産業技術総合研究所