世界一のモジュール変換効率40％超を目指す、太陽電池開発中

変換効率の限界に近づくシリコン系太陽電池

ひと口に太陽電池と言っても種類は様々で、使われている材料や製法によって性能や発電コストは大きく異なります。
参照：CIS系薄膜太陽電池「なるほど基礎知識」主な太陽電池の種類

現在、一般に販売されている太陽電池のほとんどは「シリコン系太陽電池」で、電力用太陽電池生産量のほとんどを占めています。しかしながら、そのエネルギー変換効率（光を電気に換える割合）は14～20％程度が一般的です。

エネルギー変換効率の向上による発電コストの低減を目指して

現在、化合物太陽電池に使われている材料は複数あります（「なるほど基礎知識」を参照）。中でもエネルギー変換効率が高く、放射線耐性に優れていることから、3種類のIII-V族化合物半導体を多層化した「化合物3接合型太陽電池」が、シャープによって実用化され、わが国のほとんどの人工衛星に搭載されています。

逆に、化合物太陽電池が現状では人工衛星用にしか使用されない理由は、結晶シリコン太陽電池の100倍以上という価格の高さにあります。製造プロセスが複雑で材料も高額なため、巨額のコストがかかってしまうからです。

しかし、他の方式の太陽電池に類を見ないエネルギー変換効率の高さは大きな魅力です。そのため、コストの低減は重要命題であり、一層の変換効率向上、製造コスト低減、長寿命化が不可欠になっています。

2000年から化合物3接合太陽電池の研究開発を進めてきたシャープでは、NEDOが2001年度から実施を開始した「新エネルギー技術研究開発」プロジェクトの中の「太陽光発電技術研究開発」分野に参画。2001～04年度実施の「先進太陽電池技術研究開発」プロジェクト、2006～07年度実施の「太陽光発電システム未来技術研究開発」、そして、2008年度～14年度実施の「革新的太陽光発電技術研究開発」を通じて、化合物太陽電池のさらなる性能向上を目指し、研究開発に取り組んできました。

そして2009年には化合物3接合型太陽電池で、エネルギー変換効率35.8％の世界記録を樹立。2011年には自社記録を更新する36.9％※（どちらも面積約1㎠）を達成しました。今後、同社ではさらなる性能向上と量産化技術等の確立による低コスト化を図ることで、人工衛星用に加え、電気自動車用や船舶用など新たな用途の開拓を目指しています。

また、太陽光をレンズなどで集めてエネルギー変換効率を高める「集光型太陽光発電システム」の実用化にも取り組んでいます。集光型は実に50％という高いエネルギー変換効率が期待できる新しい発電方式です。

※：2011年11月現在、研究レベルにおける非集光型太陽電池セルに於いて（シャープ調べ）。エネルギー変換効率は、産業技術総合研究所（世界の太陽電池の公的測定機関のひとつ）により確認された数値

人工衛星用太陽電池の開発での高い実績

そもそもシャープが太陽電池の研究開発を始めたのは1959年のことです。1963年には直径1インチの太陽電池量産化に成功し、灯台（灯浮標ブイ）に使用されました。また、1976年には、単結晶シリコンを用いた宇宙用太陽電池を開発し、人工衛星「うめ」に搭載されました。そして、宇宙用太陽電池のさらなる高効率化、軽量化、耐久性向上を目指し、2000年に研究開発に着手したのが、化合物3接合型太陽電池でした。

NEDO「太陽光発電技術研究開発」プロジェクトの下、2002年には同社が開発した化合物3接合型太陽電池が宇宙航空研究開発機構（JAXA）の認定を取得。2005年には小型科学衛星「れいめい」に、2009年には温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」に搭載されるなど、宇宙用太陽電池として次々と利用されるようになりました。現在、日本製の人工衛星のほとんどがシャープ製の化合物3接合型太陽電池を搭載しています。

そして、NEDO「革新的太陽光発電技術研究開発」プロジェクトを通じて、化合物3接合型太陽電池のエネルギー変換効率のさらなる向上に取り組み始めました。

理想的なエネルギー変換効率を実現できる化合物太陽電池

化合物3接合型太陽電池ではトップ（上層）、ミドル（中層）、ボトム（下層）の3種類のセルで異なる波長の光を吸収してエネルギー変換効率を高めています。

シャープが2000年から宇宙用として開発してきた化合物3接合型太陽電池は、III-V族化合物半導体を材料に使用しています。

具体的には、トップセルにInGaP（インジウム・ガリウム・リン）を、ミドルセルにGaAs（ガリウムヒ素）を、ボトムセルにGe（ゲルマニウム）を用いています。Ge基板上に、ボトムセル、ミドルセル、トップセルの順番で連続した結晶になるように成長させて作っています。この場合、結晶を構成する原子の格子間隔はほぼ一致しています。これを"格子整合型"と言います。格子間隔が合っていて、よりきれいな結晶の方が、性能が高いことが分かっています。

しかしながら、この化合物3接合型太陽電池には、改善の余地があります。ボトムセルのバンドギャップが小さすぎることから、ボトムセルで発生する電流が、ミドルセルおよびトップセルで発生する電流よりも約1.8 倍も大きく、しかも、その電流は電力として取り出すことができないのです。

独自技術「逆積み形成方式」でエネルギー変換効率世界最高記録を樹立

しかしながら、ここには大きな障壁がありました。ボトムセルとなるInGaAsの格子間隔がミドルセルのGaAs、トップセルのInGaPの格子間隔に比べて大きく、結晶としての連続性が失われるということ、すなわち"格子不整合"であるということです。

この問題はセル間に格子間隔の調整を施したバッファー層を形成することで解決できます。とは言え、Ge基板上に、格子間隔の大きなInGaAsをボトムセルとして成長させ、さらにその上に、格子間隔の小さなGaAsをミドルセルとして成長させるとなると、InGaAs層の上下で、2回にわたり、バッファー層を形成し格子間隔を調整する必要が出てきます。また、バッファー層がうまく形成できないと、性能が低下してしまう危険性があります。

しかしながら、太陽光は、トップセルから入射する必要があります。そこで、シャープは3層の太陽電池セルを基板から分離し、ボトムセルを基板に転写する独自の方法を開発しました。

現在のところ、GaAs基板は除去していますが、今後はこの高価な基板を再利用できるようにすることで、製造コストの低減を図っていく計画です。

この逆積み形成方式による化合物3接合型太陽電池の開発について、ソーラーシステム事業本部・技術開発センターの佐々木和明係長はこう語ります。

「アイデアは、2001年度から実施された先進太陽電池技術研究開発プロジェクトの時点からありましたが、2006年度実施の太陽光発電システム未来技術研究開発プロジェクトで本格的に研究開発に取り組み始めました。しかしながら、バッファー層を作るのに大変に苦労し、2008年度からの革新的太陽光発電技術研究開発プロジェクトに入り、ようやく成功させることができました」

こうした形成法の結果、電流がボトム、ミドル、トップの3層でマッチし、ボトムセルで発生する電圧が向上し、取り出せる電力を増やすことができました。そして、2009年に当時、世界最高記録となったエネルギー変換効率35.8％の達成につながりました。