理論限界を突破、シリコン利用の太陽電池で30.2％：太陽光（1/3 ページ）

量産可能な太陽電池で変換効率30％の壁を突破したい。ドイツのフラウンホーファー研究所はこの目的に一歩近づいた。シリコン基板と他の材料を組み合わせたこと、組み合わせる際に、マイクロエレクトロニクス分野で実績のあるウエハー接合装置を利用したことが特徴だ。高い変換効率と低コストを両立させる技術開発だといえる。

[畑陽一郎，スマートジャパン]

　ドイツのフラウンホーファー研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems）は2016年11月9日、ケイ素（シリコン）を利用した太陽電池セルで変換効率が30.2％に達したと発表した（図1、図2）。

　今回の太陽電池セルは、「シリコン層＋それ以外の半導体層A＋それ以外の半導体層B」という3層構造になっている。同研究所によれば、シリコンを用いたこのような形式の太陽電池セルでは、30.2％が最高記録だという。

図1　ウエハー上に並ぶ試作セル　セルの面積は4平方センチメートル。一般的な太陽電池セルと同様、表面電極と裏面電極を備える　出典：Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems

図2　試作セルの性能評価（I-Vカーブ）　出典：Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems（Fraunhofer ISE calibration laboratory）

半導体の種類を選んで高効率化

　太陽電池の変換効率を高める戦略は幾つかある。まずは半導体の種類だ。

　光を電力に変えるには、半導体特有の性質であるバンドギャップを利用する。半導体の種類が決まると、バンドギャップの数値が決まる。

　大まかに言えば、バンドギャップが大きいほど太陽電池の出力電圧が高まる。バンドギャップが小さいほど出力電流が多くなる。出力電力は「電圧×電流」で決まるため、最適なバンドギャップの値があるはずだ。太陽光のスペクトルに基づいた理論計算によれば、約1.4電子ボルト（eV）程度の値になる。

　この値に近いのが、ガリウムヒ素（GaAs）だ。バンドギャップの値は1.43eV。

　ガリウムヒ素は太陽電池の材料として優れているものの、ガリウムの資源量が少なく、シリコン半導体と比較にならないほど高価なため、用途が人工衛星などに限られている。

　量産が進んでいるのは、バンドギャップが1.1eVのシリコン太陽電池だ。フラウンホーファー研究所によれば、理論効率は29.4％だ^＊1）。

＊1） 同研究所によればシリコン太陽電池の世界記録は変換効率26.3％。