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» 2013年06月17日 11時00分 UPDATE

自然エネルギー:シャープが世界記録を2連覇、効率44.4%の太陽電池

高効率太陽電池の開発ではシャープが世界最高水準にある。多接合太陽電池と呼ばれる方式だ。同社は人工衛星向けに多接合太陽電池を実用化しており、さらに性能を高めて大規模な地上設置型の集光型太陽光発電(CPV)などの用途開拓を狙う。2013年6月にはその集光型において、世界記録となる変換効率44.4%を達成した。

[畑陽一郎,スマートジャパン]

 シャープが高効率太陽電池セルの開発で独走している(図1)。2013年6月には、変換効率44.4%を達成したと発表、米Solar Junctionが持っていたこれまでの記録44.0%を上回った。

 今回の記録は太陽光をレンズなどで集め、取り出す電流を増やす「集光型太陽電池」を使った記録だ。44.4%という数字は302倍の集光時のものだ*1)

*1) シャープは今回とほぼ同じ構造の太陽電池セルを用いた別の世界記録も持っている。2013年4月には、非集光時の効率の記録37.8%を発表しており、これは米Spectrolabの従来の記録(37.7%)を上回っている(関連記事)。いずれも新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「革新的太陽光発電技術研究開発」プロジェクトの一環として開発したものだ。なお、NEDOの目標は2014年度までに効率48%以上というものだ。

yh20130617Sharp_cell_590px.jpg 図1 効率44.4%の太陽電池セル。出典:シャープ

多接合太陽電池で実現

 シャープが今回開発した太陽電池セルは、化合物3接合太陽電池と呼ばれる方式だ。住宅の屋根などに置かれる太陽電池は、単結晶シリコン太陽電池か多結晶シリコン太陽電池だ。いずれも純度の高いケイ素(Si)を利用している。この他、薄膜シリコン太陽電池や、CIS(CIGS)化合物薄膜太陽電池が使われることも多い。いずれも1層の発電層を上下から電極で挟み込んだ構造を採る。

 シャープの太陽電池セルは、そうではない。3種類の発電層を使う(図2)。太陽光は白色に見えるが、実際には複数の色(波長)の光が混ざったものだ。大まかに言えば、図2の右に示した構造のうち、一番上にあるInGaP(インジウムガリウムリン)が青と緑、黄色の光を吸収する。中間にあるGaAs(ガリウムヒ素)は赤色を、一番下にあるInGaAs(インジウムガリウムヒ素)は赤外線を吸収する。光の波長ごとに別々の発電層を設けた方が効率は高くなるからだ。

yh20130617Sharp_structure_460px.jpg 図2 多接合太陽電池の利用方法と構造。出典:シャープ

 それではなぜ全ての太陽電池が多接合になっていないのか。これは発電層が増えるほど開発、製造が難しくなり、大面積化も困難になるからだ。このままではメガソーラーのように太陽電池モジュールを敷き詰める使い方には向かない。

 そこで、図2の左側にあるようにレンズで光を集めることで、サイズの制限をカバーする。今回の太陽電池セルは302倍集光なので、太陽電池セルの寸法が約4mm角(0.165cm2)であっても、約7cm角の範囲の太陽光を利用していることになる。これは一般的な単結晶シリコン太陽電池のセルサイズのほぼ4分の1に相当する。

電極下部構造に工夫

 太陽電池の変換効率を高めるにはさまざまな手法がある。今回シャープが採用したのは入射した太陽光の影となる電極周辺の改良だ。図3の左に示した太陽電池セルでは太陽光は図の上から差し込む。黒い棒で示した電極に当たった光は無駄になる。図3の右は電極の下部を拡大したものだ。よく見ると、電極と受光面(セル)の間にはコンタクト層と呼ぶ緑色で示した部分がある。電極とセルは異なる物質でできており、直接固定することができない。そこでコンタクト層を用いる。従来型はコンタクト層の幅が電極よりも広いため、太陽光が遮られていた。今回は同じ幅に抑えることでより多くの太陽光を受けられるようになった。これが高効率化のカギだ。

yh20130617Sharp_contact_370px.jpg 図3 電極とコンタクト層の関係。出典:シャープ

 コンタクト層は導電性の化合物からなる。これを化学薬品の腐食作用を利用して電極と同じ幅に加工している。いわゆるエッチングである。エッチング自体は従来の太陽電池セルでも採用している。では何を改良して、エッチングの精度を高めることができたのか。

 今回は金属からなる電極の材料を変更することで、コンタクト層のエッチング手法を変えることに成功した。従来技術では電極幅と同じになるようにエッチングすると量産性が損なわれてしまったが、電極材料を変更することで、この問題が解決した。

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