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ゆうりゅうくだら
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特別対談太陽電池研究を展望する 2015 年末現在日本における太陽電池の累積導入量は30ギガワット (GW) に達している 2050 年には 100GWに達すると予測され基幹エネルギーになることが期待されているしかしその実現には高効率で信頼性が高く発電コストの低い革新的な太陽電池の開発が不可欠であるそのためには今何をすべきか

4 特別対談太陽電池研究を展望する 2015 年末現在日本における太陽電池の累積導入量は30ギガワット (GW) に達している 2050 年には 100GWに達すると予測され基幹エネルギーになることが期待されているしかしその実現には高効率で信頼性が高く発電コストの低い革新的な太陽電池の開発が不可欠であるそのためには今何をすべきか薄膜シリコンと結晶シリコンを中心に太陽電池の研究開発を牽引してきた小長井誠教授と NIMS ペロブスカイト太陽電池特別推進チームを率いる宮野健次郎フェローが太陽電池研究の現状そして展 04 望を語り合う小長井誠東京都市大学総合研究所教授 Makoto Konagai 宮野健次郎物質材料研究機構フェロー Kenjiro Miyano 日本の太陽電池研究の始まり宮野小長井先生は日本における太陽電池研究を初期からご存じですよね小長井私が太陽電池の研究を始めたのは東京工業大学大学院の修士 1 年生だった 1972 年ですからもう 45 年になりますさまざまな太陽電池材料を扱いましたが最初はガリウムヒ素 (GaAs) でした日本の新エネルギー技術研究開発についての長期計画であるサンシャイン計画が始まったのが 1974 年そして1980 年に新エネルギー総合開発機構 (NEDO 現在の新エネルギー産業技術総合開発機構 ) が発足し太陽電池の研究開発は産学連携で進んできましたシリコンの変換効率を極限まで上げるには小長井世界では現在年間 40GW 分の太陽電池が生産されていますが主流はシリコン (Si) で90% を占めますしかし結晶 Siのエネルギー変換効率は25% 前後で伸び悩んでいます 28 29% といわれる理論限界まで上げるにはかなり挑戦的なことをやらなければならないでしょう宮野 NIMSでは Siについて経済性に注目した研究をしています Siの単結晶を種結晶から成長させる新しい結晶育成法を開発しましたこれまでは集積回路に使う場合と同じ方法でSi 単結晶をつくっていましたが新しい方法ははるかに安くできてしかも変換効率はほとんど変わりません小長井コスト低減は非常に重要です一方で変換効率の面ではSi 単独での大幅な向上はかなり難しいでしょうそ

だからこそ面白い LEDより難しい実はトランジスタより太陽電池は小長井誠こで期待しているのが Si のセルの上に Si とは異なる波長を吸収する複数の半導体材料を積層したタンデム型 ( 多接合型 ) です Si だけより幅広い波長の太陽光を有効に利用することができるようになります急成長している中国企業もタンデム型に注目しており ITRPV (International

(Al) ガリウム (Ga) インジウム (In) などと Ⅴ 族に属するヒ素 (As) 窒素(N) などとの化合物であるⅢ-Ⅴ 族化合物半導体系の研究を進めています吸収できる波長が異なる Ⅲ 族と Ⅴ 族の化合物は幅広い波長の太陽光を利用することができて発電効率が上がるのですしかし半導体の上に異なる半導体をきれいに積層させるには界面の制御が難しくその技術を開発しています

5 だからこそ面白い LEDより難しい実はトランジスタより太陽電池は小長井誠こで期待しているのが Si のセルの上に Si とは異なる波長を吸収する複数の半導体材料を積層したタンデム型 ( 多接合型 ) です Si だけより幅広い波長の太陽光を有効に利用することができるようになります急成長している中国企業もタンデム型に注目しており ITRPV (International Technology Roadmap for Photovoltaic) という太陽電池の報告書でも 2025 年には Si 太陽電池の 10% はタンデム型になると予測されています新しいコンセプトで革新的な材料を宮野太陽電池のこれからのトレンドは Siを超えるですこれは価格面と変換効率の二つの側面がありますそのために NIMSでは元素周期表の Ⅲ 族に属するアルミニウム (Al) ガリウム (Ga) インジウム (In) などと Ⅴ 族に属するヒ素 (As) 窒素(N) などとの化合物であるⅢ-Ⅴ 族化合物半導体系の研究を進めています吸収できる波長が異なる Ⅲ 族と Ⅴ 族の化合物は幅広い波長の太陽光を利用することができて発電効率が上がるのですしかし半導体の上に異なる半導体をきれいに積層させるには界面の制御が難しくその技術を開発していますその技術はタンデム型に必須です量子ドットにも取り組んでいます結晶の中に量子ドットと呼ばれるナノメートルサイズの構造をつくることで量子効果を利用して高い変換効率を達成しようというものです小長井 Siが主流だからといって Siだけを研究していればよいのではなく常にいくつもの新しいコンセプトで材料開発を続けていくことが太陽電池の発展には不可欠ですね画期的な材料ペロブスカイトの登場小長井 3 年ほど前突如ペロブスカイト系が出てきましたそれはペロブスカイトと呼ばれる結晶構造を持つヨウ化鉛 05 変換効率はシステマチックにそれを支える計測技術がある NIMSには攻略しなければ宮野健次郎のイオン性結晶で変換効率が最初から 12% も出ていて驚きました私がもう少し若かったらペロブスカイトを絶対やっていましたよこれほどポテンシャルの高い材料がよく今まで眠っていたなと不思議に思います宮野実はペロブスカイトは日本では 1990 年代から研究されていましたしかし発光材料としてだったのです光を出すのだったら光を吸収して電気を取り出すこともできるのですがその頃は誰もそれを考えなかったのですね NIMSでは二つのアプローチでペロブスカイトに取り組んでいます一つは高い変換効率を狙うもので韓礼元さんのグループが18% 超を達成していますして応用への指針を示すことを目指しています (GREENの詳細はP6へ) 小長井発電コストを下げるためには信頼性も重要ですすぐに壊れては長期的なコストは高くなってしまいます宮野ペロブスカイトは長持ちしないと言われていますしかし NIMSで基礎研究を重ねてきたこともあり安定性に関わる要因はかなり解明されてきました今後は長期の安定性を実現するには何をすべきかを明らかにしていきますもう一つは基礎研究を重視したナノ材料科学環境拠点 (GREEN) です発電効率の高さは材料そのものに秘密があるはずですそのメカニズムを明らかに

特別対談太陽電池研究を展望する分野を超えて交流しもっとアイデアを小長井日本では研究機関がばらばらに太陽電池研究を進めているという印象があります NIMS にはぜひ中心的な役割を担って欲しいと期待しています宮野太陽電池は材料ごとに分野が違いほとんど交流がありませんもったいないことだと思いますある分野で問題になっていることは別の分野ではもう解決されていたりします

6 特別対談太陽電池研究を展望する分野を超えて交流しもっとアイデアを小長井日本では研究機関がばらばらに太陽電池研究を進めているという印象があります NIMS にはぜひ中心的な役割を担って欲しいと期待しています宮野太陽電池は材料ごとに分野が違いほとんど交流がありませんもったいないことだと思いますある分野で問題になっていることは別の分野ではもう解決されていたりします研究者は分野を超えていろいろな人と交わるべきです NIMSがその交流の場にもなれればいいですねまた変換効率を上げるにはやみくもにやってもだめでシステマチックにやる必要があります NIMSにはさまざまな計測技術がそろっています新しい試料をつくったらすぐ元素の分布を解析することもできます急に高い変換効率が出たときは意図しない構造になっていることも多いものです試料作製のパラメータと得られた変換効率そして構造の関係を理解できれば最良の構造を意図的につくることも可能になりますそういう NIMSの強みも活かしたいですね小長井太陽電池はすでに一般の家庭に実装されているものですが基幹エネルギーになるにはまだ革新的なアイデアが足りていません若い人はぜひアイデアを出して夢をもって太陽電池に取り組んでほしいですね ( 文鈴木志乃 / フォトンクリエイト ) ナノ材料科学環境拠点 (GREEN) の太陽電池研究ペロブスカイト太陽電池の性能向上とメカニズムの解明に注力 NIMS NOW 06 高効率で安価に作製が可能なことから現在次世代太陽電池として注目を集めているのがペロブスカイト太陽電ペロブスカイト層はペロブスカイト材料を含む溶液を塗布して作製している従来の方法では結晶化を容易にするためする新しい作製法を開発し均一な厚みで平らなペロブスカイト層を形成することで再現性や安定性の高いペロブスカイ 2016 No.3 池だしかし実用化に向けては再現性や安定性耐久性が低いなど課題が多いそこで GREENは2014 年 10 月に複雑な多孔構造の酸化チタンに塗布しなければならないことや塗布の際に水分や酸素が混入するなどの理由で安定性やト太陽電池を作製できるようになったペロブスカイト層は 140 未満の低温で作製できることからプラスチックなどペロブスカイト太陽電池特別推進チー再現性に問題があった GREEN では周軽量でフレキシブルな基板に使用できるたムを発足これまで有機系太陽電池の囲の環境を厳密に管理する有機薄膜太め産業界からも注目を集めていますし研究開発に携わっていた研究者を中心陽電池の作製手法を導入しさらに多孔かしペロブスカイト太陽電池は発電機構そに GREEN が誇る計算手法計測手構造を使わずにペロブスカイト層を形成すのものが解明されていないなど基礎研究法材料開発技術を駆使してペロブスることに成功性能の向上を果たしたの段階です 1 日も早い実用化に向け研カイト太陽電池の基礎研究を進めているまたペロブスカイト材料を塗布するプ究を加速させていきますチームメンバーいくつか成果が出ているので紹介しようロセスの改良にも取り組む塩素を添加の白井康裕と柳田真利はこう意気込むナノ材料科学環境拠点ペロブスカイト太陽電池特別推進チームの白井 ( 左 ) と柳田 ( 右 ) ( 文山田久美 )

7 太陽光発電は半導体のバンドが接合した構造でその前後を 2 ギャップを利用して太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換し発電するシステムバンドギャップとは半導体の中にある価電子帯と伝導帯とのエネルギー差のことでその値は半導体の種枚の電極で挟んでいる太陽光パネルに光が当たると光のエネルギーを吸収して接合部に電子と正孔のペアが生じるさらに電子と正孔はそれぞれ n 型 p 型半導体の伝導体に移動することで電位差類によって異なる太陽電池本体は n 型半導体と p 型半導体という 2 種類の半導体が生じるそこで生じる電圧を電極につないだ導線で電力として取り出しているのだ太陽電池は最も一般的なシ額なことから用途が限られ主にリコン太陽電池化合物太陽電池そして有機太陽電池の3 種類に大別されるさらにシリコン太陽電池は単結晶シリコン多結晶シリコンアモルファスシリコンなどに分かれるその中で現在最も普及しているのは多結晶シリコン太陽電池だ化合物太陽電池はエネルギー変換効率が高いものの非常に高人工衛星に採用されている一方有機太陽電池ではこれまで色素増感太陽電池と有機薄膜太陽電池の研究開発が進められてきたが有機材料は安定性や耐久性が低いことから実用化が進まず一部の研究はペロブスカイト材料を使ったペロブスカイト太陽電池へと移行しつつある 07 太陽電池の最大の課題はエネルギャップよりも高いエネルギーをギー変換効率の向上だ持つ紫外線のような光が入ってき太陽光には波長の長い赤外た場合その差分は熱となって逃線から波長の短い紫外線までさまげてしまうそのためシリコンざまな波長の光が含まれる波長太陽電池の理論上の変換効率はの長さによって光の持つエネル約 30% が限界だギーが異なり波長の短い光ほどそこで現在バンドギャップの異エネルギーが高いなる半導体同士を複数組み合わせしかしシリコン太陽電池の場て積層させる多接合型 ( タンデム合波長の長い赤外線では光エネ型 ) 太陽電池やバンドギャップルギーが低すぎて価電子帯にいの間に中間バンドを作ることでる電子を伝導帯に押し上げること光エネルギーが電気エネルギーにができない従って赤外線を電変換するのを助ける中間バンド型気エネルギーに変換することがで太陽電池などの研究開発が盛んにきない一方電気として取り出行なわれているすことができるエネルギーはバンドギャップ分だけなのでバンド

既存材料の進化高品質低価格を実現する単結晶シリコンの製造方法を開発価格競争力のある太陽電池で市場の奪還を目指す近年太陽電池市場は低価格だが品質の低い多結晶シリコン太陽電池が席巻しているそんな中高品質でエネルギー変換効率の高い単結晶シリコン太陽電池をより安価に製造する方法を開発したのが NIMSの関口隆史を中心とする産官学の研究チームだ NIMS NOW 08 現在

8 既存材料の進化高品質低価格を実現する単結晶シリコンの製造方法を開発価格競争力のある太陽電池で市場の奪還を目指す近年太陽電池市場は低価格だが品質の低い多結晶シリコン太陽電池が席巻しているそんな中高品質でエネルギー変換効率の高い単結晶シリコン太陽電池をより安価に製造する方法を開発したのが NIMSの関口隆史を中心とする産官学の研究チームだ NIMS NOW 08 現在普及している太陽電池のほとんどはシリコン太陽電池だシリコンは半導体材料としてコンピュータの CPUやメモリーにも使われているが高品質であるこダーとする NIMS 九州大学日本メーカー各社豊田工業大学明治大学などによる産官学連携の研究チームが高い変換効率を維持しつつより安価な単結晶シリコわれているキャスト ( 鋳造 ) 法の改良だ通常単結晶シリコンの場合まず高純度のシリコンをるつぼに入れ約 1600 に加熱して液体にするここに上 2016 No.3 とが求められるため単結晶シリコンが使われている一方太陽電池の場合品質よりも価格が重視されるためより安価な多結晶シリコンが主流となっているンの製造方法の開発に成功した多結晶シリコンの製造方法を改良からつるした小さなシリコン単結晶を接触させこれをシード ( 種 ) にして周囲に結晶成長させていくこの塊をゆっくりと引き上げると結晶が成長しながら現れてくしかし多結晶シリコンのエネルギー変換 NEDO プロジェクト発足の背景には日るのだこれは CZ( チョクラルスキー ) 法効率は約 18% と一般に市販されている本企業が先導してきた太陽電池市場がと呼ばれる製造方法で長い時間と高度単結晶シリコンの約 20% に比べて 1 割ほ安価な外国製の多結晶シリコン太陽電な技術が必要となるためどうしてもコスど低いそのため単結晶シリコンの安価池に奪われる中安価かつ変換効率の高ト高になってしまうな製造方法が求められているい単結晶シリコン太陽電池を開発するこ一方多結晶シリコンは電気炉内に置そうした中 2010 ~2014 年度に実施さとで日本の競争力を取り戻したいというかれた四角い鋳型の中で溶かしたシリコンれた NEDO プロジェクト太陽光発電シス思いがありました関口はいきさつをこを底から凝固させているこの方法を改良テム次世代高性能技術の開発の下国際う説明するし種を入れて単結晶を育成するのがシーナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) そこで関口らの研究グループが着目しドキャスト法であるシードとなる約 20 セの上席研究員関口隆史をグループリーたのが現在多結晶シリコンの製造に使ンチ角の単結晶シリコン板をるつぼ底に敷マルチシードキャスト法シングルシードキャスト法種結晶間で転位が増殖低転位密度多数枚種結晶による高コスト化低コスト化図 1 従来のマルチシードキャスト法 ( 左 ) と開発したシングルシードキャスト法 ( 右 ) 図 2 シングルシードキャスト法で作成された単結晶シリコン ( 左 ) は従来品 ( 右 ) のような結晶粒界がなく金属のようななめらかな光沢を持つ

関口隆史 MANA ナノマテリアル分野半導体デバイス材料グループ上席研究員 Takashi Sekiguchi き詰めその上のシリコン原料を溶かして固めることで単結晶を育成するこの方法は複数のシードを使うことからマルチシードキャスト法と呼ばれる ( 図 1) シリコン融液を冷やして固めるだけなので CZ 法に比べて作りやすい一方でシードを複数使うため価格が高くなりまたシー

しかも CZシリコンは酸素濃度が 20ppm 程度あるのに対 09 ドの境界から欠陥が発生してしまう欠点となっていた結晶成長時の不純物のしこの製造方法では 6ppm 程度に抑えそれに対し関口らがめざしたのが混入を抑制することにも取り組んだられたというシードを 1 つにしたシングルシードキャス従来のシードキャスト法では鋳型と現在のところ製造コストは CZ 法と鋳ト法

9 関口隆史 MANA ナノマテリアル分野半導体デバイス材料グループ上席研究員 Takashi Sekiguchi き詰めその上のシリコン原料を溶かして固めることで単結晶を育成するこの方法は複数のシードを使うことからマルチシードキャスト法と呼ばれる ( 図 1) シリコン融液を冷やして固めるだけなので CZ 法に比べて作りやすい一方でシードを複数使うため価格が高くなりまたシーうわけだ加えて電気炉の内部構造を新たに設計するにあたっては結晶成長のコンピューターシミュレーションを得意とする九州大学グループの活躍が欠かせませんでしたと関口さらに関口らはシードキャスト法の純物が極力混入しないように工夫して高品質の単結晶シリコンの製造に成功しましたと関口は語るその結果できた太陽電池は CZ 法で製造された単結晶シリコンに迫る高い変換効率を達成したしかも CZシリコンは酸素濃度が 20ppm 程度あるのに対 09 ドの境界から欠陥が発生してしまう欠点となっていた結晶成長時の不純物のしこの製造方法では 6ppm 程度に抑えそれに対し関口らがめざしたのが混入を抑制することにも取り組んだられたというシードを 1 つにしたシングルシードキャス従来のシードキャスト法では鋳型と現在のところ製造コストは CZ 法と鋳ト法だ鋳型の中央にシードとなる単結原料シリコンとの間に離型剤として窒化造法の中間くらいになると予想しています晶シリコン板を 1 枚だけ置きここからシケイ素などを塗っていますまたヒーター今後製造方法のさらなる最適化を図ってリコンを結晶成長させていくので種同と断熱材には炭素が含まれますさらにいくことで CZ シリコンを超える変換効率士の境界を気にせず単結晶を育成する鋳型は石英なのでどうしても酸素が混が期待できますそうなれば付加価値はことができる ( 図 2 ) 入してしまいますそのためシリコンがさらに高まっていくことでしょうと関口低コスト化を実現する上で工夫した結晶成長する際に窒化ケイ素や炭化ケ高品質低価格の単結晶シリコン太陽点は電気炉内の熱設計と温度管理でしイ素二酸化ケイ素が析出してしまいそ電池が地球温暖化防止に貢献する日た特にシリコン融液を固めていく際にれがシリコン太陽電池の性能低下の原が 1 日も早く来ることを期待したい熱ひずみがかかって結晶に欠陥が入らな因になっていたのですそこで今回不 ( 文山田久美 ) いように冷却を最適化することがポイントでしたと関口は語る実は欧州でも同様の研究を行なっていたがうまくいかず多くの機関が撤退していた一方関口らの専門分野は結晶欠陥で結晶に欠陥が生じる要因を長年にわたり NIMSで研究してきた今回はその技術や知識ノウハウが太陽電池開発においても存分に生かされたとい図 3 このプロジェクトには日本のシリコンメーカー出身のスタッフに加え中独仏韓フィジーなど多国籍の研究者学生が参加し高いモチベーションで太陽電池研究を行なっている

10 実用化に向けて変換効率 18% 超の大面積ペロブスカイト太陽電池を開発オール無機化で 2020 年の実用化を目指す製造コストが安価でかつ変換効率が高いことから次世代太陽電池としての期待が高まっているペロブスカイト太陽電池世界各国で実用化に向けた開発競争が激しさを増しているそんな中頭角を現しているのが NIMS 韓礼元の研究グループだ 10 シリコン太陽電池に匹敵する高いエネルギー変換効率を示しながら使用する材料が廉価さらに高温高圧高真空プロセスを使わず安価に量産できるとあってにわかに注目を集めているのがペロブスカイト太陽電池だしかし再現性安定性耐久性など性能面で解決すべき課題もまだ多く現在世界各国で実用化に向けた開発競争が激化している NIMSでもいち早く開発に取り組んでいる研究者がいるエネルギー環境材料研究拠点太陽光発電材料グループの韓礼元だ韓の研究グループが開発したペロブスカイト太陽電池の変換効率 15% は 2015 年 2 月 27 日に世界で初めて国際的に認知された中立な太陽電池評価機関により確認され公式記録として登録されたさらに 2015 年 10 月には変換効率 18.2% を達成した ( 図 1) これは単結晶シリコンや多結晶シリコン太陽電池に匹敵する高い値で世界中から大きな注目を集めている実はこれまで発表されてきたペロブスカイト太陽電池の変換効率はほとんどが0.1cm 2 の小さな面積のセルで測定したもので測定方法も未公開だった面積が小さいと測定誤差が大きく信頼性に欠けるそれに対し韓のグループはペロブスカイト太陽電池を構成している各層の材料と作製方法を改良することで 1センチ角以上の大面積化に成功したまた光を 1000 時間照射し続けても性能が1 割弱までしか低下しない優れた耐久性を示した最大の課題であった耐久性を無機材料で克服そもそもペロブスカイトとはチタン酸カルシウムの鉱物名で同じ結晶構造をとる化合物を総称してペロブスカイト型化合物と呼んでいるペロブスカイト太陽電池は図 2のようにガラス基板透明導電膜ホール抽出層ペロブスカイト層電子輸送層電子抽出層そして裏面電極で構成されているペロブスカイト層で光を吸収し光励起により電子とホールの電荷を発生させることで発電するしくみだ現在光吸収材料としてペロブスカイト構造を持つ有機無機ハイブ図 1 産業技術総合研究所 (AIST) 太陽光発電研究センター評価標準チームによって計測されたペロブスカイト太陽電池の電流 - 電圧特性赤い下線の部分が18% を超える変換効率を達成したことを示している

韓礼元エネルギー環境材料研究拠点太陽光発電材料グループ上席研究員 Han Liyuan 図 2 ペロブスカイト太陽電池の構造リッド材料のヨウ化鉛メチルアンモニウム (CH 3 NH 3 PbI 3 ) の薄膜が使われているこのハイブリッド材料を溶液に混ぜ塗布プロセスによって製膜することで作製できる印刷により大量生産できる上基板をフィルムに替えればフレキシブル化も可能となるしかし

安定性と耐久性が飛躍的に高まると考えたのだ着目した無機材料はペロブスカイト材料のエネルギー準位に適合した酸化ニッケルと酸化チタンであるこれらの無機材料は電気抵抗が高いため抽出層にするにはできるだけ薄く作る必要があったところが薄く作ると今度はピンホールと呼ばれる欠陥が増え変換効率が低下してしまうこのジレンマを克服するため韓は無機材料を厚くしピンホールを減らすと同時に

11 韓礼元エネルギー環境材料研究拠点太陽光発電材料グループ上席研究員 Han Liyuan 図 2 ペロブスカイト太陽電池の構造リッド材料のヨウ化鉛メチルアンモニウム (CH 3 NH 3 PbI 3 ) の薄膜が使われているこのハイブリッド材料を溶液に混ぜ塗布プロセスによって製膜することで作製できる印刷により大量生産できる上基板をフィルムに替えればフレキシブル化も可能となるしかしこれまでのペロブスカイト太陽電池は製膜条件によって発電特性にばらつきが出たり電圧のかけ方によって変換効率が変化してしまったりするなど性能面でさまざまな課題を抱えていた安定性や耐久性も低く光を照射し続けるとすぐに劣化していたそこで韓が目を付けたのが電子抽出層とホール抽出層だったこれまでこの二つの層には有機材料が使われていたそれを無機材料に変更することで安定性と耐久性が飛躍的に高まると考えたのだ着目した無機材料はペロブスカイト材料のエネルギー準位に適合した酸化ニッケルと酸化チタンであるこれらの無機材料は電気抵抗が高いため抽出層にするにはできるだけ薄く作る必要があったところが薄く作ると今度はピンホールと呼ばれる欠陥が増え変換効率が低下してしまうこのジレンマを克服するため韓は無機材料を厚くしピンホールを減らすと同時に電子抽出層にはニオブイオンをホール抽出層にはリチウムイオンとマグネシウムイオンを高濃度で添加して導電性を高めた実際に実験したところ想定通り高い変換効率と耐久性を示していることが確かめられたまたこの厚さであればピンホールの少ない層が形成できることから大面積化にもつながった作製にあたり工夫した点を韓はこう説明する現在電子輸送層には有機材料が使われていますがこの上に無機材料の厚い層を形成していく際にはその有機材料が壊れないように配慮しなければなりませんでしたまたペロブスカイト層は水に接すると分解してしまいますので水をすべて除去した環境で無機材料を塗布しなければならずこの点も細心の注意を払いました一方添加したニオブイオンやリチウムイオンマグネシウムイオンに関しては無機材料の膜厚に応じて添加する量や割合を最適化する必要があったその点において韓が長年にわたって蓄積してきた知見や独自のノウハウを存分に生かせたことも同研究チームの強みとなった韓は今後の展望をこう語る実用化に向けて最も重要なことは変換効率と耐久性の向上です耐久性を高めるにはやはり有機材料を無機材料に替える必要がありますそのため今後は電子輸送層に関しても無機材料に替えオール無機のペロブスカイト太陽電池を目指します一方変換効率に関してはペロブスカイト材料を改良することで 2016 年度中には 20% を達成できると予想していますさらにシリコン太陽電池の上にペロブスカイト太陽電池を形成してタンデム型にすればより幅広い波長の光を電気に変換できるので変換効率 30% を超える太陽電池も夢ではありません 2020 年頃には何らかの形で実用化されていることでしょう ( 文山田久美 ) 11

12 未来の太陽電池中間バンドで究極の変換効率を太陽電池のエネルギー変換効率は電気に変換するために必要なエネルギー ( バンドギャップ ) によって決まる今 NIMSではバンドギャップの間に中間バンドを形成することでより広い波長域の光を電気エネルギーに変換する研究が進められている 12 注目の Ⅲ-Ⅴ 族窒化物半導体では全波長範囲の光の利用も可能に一般的な結晶シリコン太陽電池の変換効率は理論的に約 30% が限界だ変換効率をさらに高めるにはより多くの波長の光が電気エネルギーに変換できるよを浴びた青色発光ダイオードの材料となっている GaN( 窒化ガリウム ) と InN ( 窒化インジウム ) に着目したのがワイドギャップ材料グループの角谷正友と MANA 独立研究員サンリウエンの研究チームだ Ⅲ-Ⅴ 族窒化物半導体であるGaNは物太陽電池を重ね合わせることも考えているそれぞれの太陽電池から独立に電力を取り出すことで変換効率向上が見込めるからである集光型太陽電池と組み合わせて世界最高効率の太陽電池を目指したいと角谷は語る太陽電池は材料そのものや界面に形うに工夫する必要があるそこで現在大きなバンドギャップ ( ワイドギャップ ) を成される欠陥の影響を受けやすい Ⅲ-V 研究開発が盛んに進められているのが持ち InN と混合して InGaN 結晶を作る族窒化物太陽電池の変換効率を向上さ化合物半導体を使った太陽電池だことでバンドギャップを制御しやすくなせることは材料のみならず界面制御デ中でも周期表 13 族 (Ⅲ 族 ) と 15 族 (Ⅴ るワイドギャップ半導体材料でバンドバイス作製プロセスの高度化につなが族 ) 元素でできた Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導体ギャップ内にミニバンド ( 中間バンド ) をる今後は太陽電池の研究開発を通しの GaAs( ガリウムヒ素 ) や InGaP( イン形成できればタンデム構造を用いなくて培った技術やノウハウを生かし Ⅲ-V ジウムガリウムリン ) は変換効率が最適ても太陽光スペクトルの広い波長範囲の族窒化物を使ったパワー半導体デバイなバンドギャップエネルギー 1.5eV( エ光を活用できるそこで角谷らは n 型スの研究開発も並行して進めていく計画レクトロンボルト ) に近く放射線に強い半導体の InGaN 層の上に In の組成がだことからすでに宇宙用として一部実用化もされている加えて Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導体は光の吸収効率が高い上吸収しない光に対しては高い透過効率を示それぞれ異なる InGaNの薄膜を30 層ほど積層していったその結果本来のInGaNのバンドギャップエネルギーに相当する太陽光だ量子ドット量子井戸で変換効率向上を目指すすそのためバンドギャップの大きさがけでなくそれよりも長い波長の可視光一方同じ Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導体の一異なる複数の種類の化合物半導体を積も電気エネルギーに変換でき変換効率種である GaAs と AlGaAs( アルミニウム層して多接合にしたタンデム型にするこは 1 割程度向上していることを確認したガリウムヒ素 ) をベースに量子ドットによとで変換効率を大幅に上げることがでこれは Ⅲ-V 族窒化物半導体材料で中間る中間バンドを形成することで変換効きるしかしながらタンデム型は構造バンド形成を示す初めての事例である率の向上に取り組んでいるのが太陽光が複雑で製造するのがむずかしいなどまた現在は最高変換効率を示す発電材料グループの野田武司だ製造技術の面で課題を抱えている GaP 系集光型太陽電池の上部により量子ドットとは電子を 3 次元方向かこのような中ノーベル賞受賞で脚光大きなバンドギャップを持つ Ⅲ-Ⅴ 族窒化ら閉じ込めることができる極小のドット

Masatomo Sumiya Sang Liwen Takeshi Noda 角谷正友サンリウエン野田武司機能性材料研究拠点電気電子分野ワイドギャップ材料グループ主席研究員

この層が中間バンドに相当する役割を果たす量子ドットの作成方法はいくつかあるが野田が取り組んでいるのは液滴エピタキシー法と呼ばれる方法だ作り方はこうだまず基板を低温にした状態でがメリットだ

安価な製造が可能になると考えていますと野田は語るを1 方向から閉じ込めた構造で分子線エピタキシーなどの超薄膜結晶成長装置で容易に作製できる中間バンドのコンセプトに合う太陽電池ができると理論的には

構造の見直しを図るとともル程度の Ga の液滴を作るそこに As 使い結合量子井戸構造でできるミニバに新たな材料開発も進めていくことでを照射すると Ga と As が反応して GaAs ンドに着目し

13 Masatomo Sumiya Sang Liwen Takeshi Noda 角谷正友サンリウエン野田武司機能性材料研究拠点電気電子分野ワイドギャップ材料グループ主席研究員国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (MANA) MANA 独立研究員エネルギー環境材料研究拠点太陽光発電材料グループグループリーダー ( 粒 ) のこと量子ドットを形成した薄膜を積層していくことでこの層が中間バンドに相当する役割を果たす量子ドットの作成方法はいくつかあるが野田が取り組んでいるのは液滴エピタキシー法と呼ばれる方法だ作り方はこうだまず基板を低温にした状態でがメリットだ液滴エピタキシー法は NIMSが長年にわたり研究開発を進めてきた方法です技術やノウハウの蓄積があり NIMSの強みとなっています中間バンドというコンセプトの太陽電池は構造がシンプルなので安価な製造が可能になると考えていますと野田は語るを1 方向から閉じ込めた構造で分子線エピタキシーなどの超薄膜結晶成長装置で容易に作製できる中間バンドのコンセプトに合う太陽電池ができると理論的には変換効率 60% も夢ではありません現状では開放電圧の低下などまだまだ多くの課題 13 Ga を照射し基板上に直径 10 ナノメートさらに野田は同じ GaAs と AlGaAs をがあります構造の見直しを図るとともル程度の Ga の液滴を作るそこに As 使い結合量子井戸構造でできるミニバに新たな材料開発も進めていくことでを照射すると Ga と As が反応して GaAs ンドに着目しその素子特性から中間バ課題を克服していきたいですねと野田の量子ドットが形成される高密度でンドを持った太陽電池の特徴に迫る研は語る近接した量子ドットを積層できるというの究にも取り組んでいる量子井戸は電子 ( 文山田久美 ) Ⅲ-V 族窒化物薄膜成長装置

シリコンを超える変換効率と低コスト化の実現に向けたハブ拠点に 2015 年 11 月現在企業を中心に51 団体が加盟し日本の太陽光発電産業の発展を目指す太陽光発電技術研究組合 (PVTEC) その森本弘理事長に産業界の立場から日本の太陽電池開発の現状とNIMS への期待を語ってもらった 14 ペロブスカイトと Ⅲ-Ⅴ 族化合物に期待

14 シリコンを超える変換効率と低コスト化の実現に向けたハブ拠点に 2015 年 11 月現在企業を中心に51 団体が加盟し日本の太陽光発電産業の発展を目指す太陽光発電技術研究組合 (PVTEC) その森本弘理事長に産業界の立場から日本の太陽電池開発の現状とNIMS への期待を語ってもらった 14 ペロブスカイトと Ⅲ-Ⅴ 族化合物に期待現在の日本の産業界における太陽電池の開発状況を聞かせて下さい森本まずシリコン太陽電池に関しては光から電気への変換効率の向上と低コスト化の二つを同時に実現するデバイスの開発次に太陽光発電システムを既存の電力系統へ組み込む技術の開発この二つが産業界における重点課題となっています変換効率の向上に関しては 20% 以上を目指して国家プロジェクトが推進中ですコスト面では従来の火力発電を下回る7 円 /kwhの実現を目指した開発が行なわれています一方後者に関しても電力自由化が開始される中技術開発が加速していますまた 2015 年 12 月には COP21でパリ協定が採択されましたので今後世界規模で再生可能エネルギーの導入が進むものと思われますそれに伴い太陽電池をいかに社会システムの中に組み込んでいくかいわゆるスマートシティへの関心が高まっています新材料の開発についてはいかがでしょうか森本シリコンに代わる新材料としてペロブスカイトと Ⅲ-Ⅴ 族化合物をはじめとした化合物半導体が期待されています特にペロブスカイトはここ 2 3 年で変換効率が大幅に向上していますので注目しています一方 Ⅲ-Ⅴ 族化合物は高い変換効率を示すものの製造コストが高いため宇宙向けなど用途が限られるのが課題ですいずれもシリコン以上の変換効率と低コスト化が実現されれば一気に普及すると思われます日本企業の太陽電池市場シェアは中国企業に押されています森本森本弘 PVTEC 理事長 HIROSHI Morimoto 近年日本が太陽電池市場を中国に奪われた背景には安価でそこそこの性能のシリコン太陽電池を簡単に製造できる装置をドイツ企業が開発しそれを中国が導入したことにあります今後日本の産業界としては新材料を開発すると同時にその材料を使って安価で高性能なデバイスを製造できる装置の開発にも取り組んでいく必要があります NIMS に期待することをお聞かせ下さい森本世界的にもより低コストで高い変換効率を示す太陽電池の開発が強く求められていますしかし材料開発は大変息の長い事業で企業だけで進めるのは困難ですそのため NIMS には是非とも画期的な新材料を開発していただきたいと願っています加えて日本における物質材料研究のハブ拠点として産官学連携を強力に推し進めていただきたいですね ( 文山田久美 )

15 12 エネルギーフリーの時代がくる! 文 : えとりあきお題字イラスト : ヨシタケシンスケエネルギー大量消費時代の今日ますます増大するエネルギー供給をどのようにまかなっていくかは世界全体にとってきわめて深刻な問題ですその解決のため世界中の国々が知恵をしぼりしばしば首脳会議や専門家による議論も行なわれていますがなかなかまとまった解決策は出てきません現在のエネルギー資源には石油石炭天然ガスなどの化石燃料太陽光太陽熱風力水力地熱などの自然エネルギーそれに原子力やバイオマスなどがありますがエネルギーとして使う場合それぞれに課題を抱えています化石エネルギーは値段も安く手に入れやすいエネルギーですが資源的に限りがあるうえ CO 2 を多量に排出するので環境問題を生じます自然エネルギーは資源的には無尽蔵でクリーンなエネルギーですがその効率的利用が難しく現在の技術ではコストが高くつきます原子力は安く大量にしかも CO 2 排出なしに電気エネルギーを得られるすぐれた手段ですが東日本大震災でもみられたように日本のような国では安全性の確保が問題となりますバイオマスや地熱も生産量に制約がありエネルギー供給の表舞台に立つには力不足です温暖化と大気汚染という人類にとっての難題を克服してエネルギー問題を解決する道はないのでしょうかその答えは最新の情報技術にあるのかもしれませんたとえばリチウムイオン電池かつできるようになる重油産生藻類大量のての電池に比べればずいぶん高性能に炭酸ガスを必要とするので CO 2 規制もなったもののまだまだ高価で大きく必要なくなりますこうした実用可能な重い劣化もしやすく充電時間が長い重油産生藻類を効率的に確保するためという欠点がありますこれを導電性に遺伝子解析遺伝子操作といった情高分子電池にすれば軽量化小型化報技術を駆使し人工藻類を作るといが図れてその結果全国で7500 万台うアイデアも出てきているのですそのほも走っている自動車を移動可能な大か実現が難しいと言われている熱核融容量蓄電池にできる可能性も秘めてい合の実用化にも膨大な計算を瞬時にますですが導電性高分子電池は3 次こなす演算処理が欠かせません元的なネットワーク構造をもっているの情報技術の加速度的進歩がこういっでこれまでの二次電池に比べその物たことをすべて可能にするのです質構造の解析が極めて複雑になります以前柏崎の原子力発電所を視察にそのため超高速の計算処理の実現が必行ったときノーベル賞学者の利根川進要になってくるのです次世代太陽電池先生は人類がほろびるとしたらそのとして 40% 以上の変換効率をもつと期もっとも大きな原因はエネルギー問題だ待されている量子ドット太陽電池の開発と予言されましたが ( 私もその意見に同にも同じことがいえます調しました ) その心配はどうやら杞憂にさらに炭酸ガスと水から燃料を生成終わりそうですえとりあきお :1934 年生まれ科学ジャーナリスト東京大学教養学部卒業後日本教育テレビ ( 現テレビ朝日 ) テレビ東京でプロデューサーディレクターとして主に科学番組の制作に携わったのち日経サイエンス編集長に日経サイエンス取締役三田出版株式会社専務取締役東京大学先端科学技術研究センター客員教授日本科学技術振興財団理事等を歴任 15

Materials research by Information Integration Initiative 世界に先駆けた新たな材料開発手法マテリアルズインフォマティクスの確立を目指してデータ科学をこれまでの物質材料研究に融合させることで新物質

および大学を会員として募りますコンソーシアム趣意書 ( 活動理念 ) 会則や登録方法については NIMS のホームページをご覧ください http://www.nims.go.jp/mii-i/consortium_info.

3 通巻 158 号平成 28 年 6 月発行国立研究開発法人物質材料研究機構古紙配合率 100% 再生紙を使用しています植物油インキを使用し印刷しています 305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 TEL 029-859-2026 FAX 029-859-2017

16 Materials research by Information Integration Initiative 世界に先駆けた新たな材料開発手法マテリアルズインフォマティクスの確立を目指してデータ科学をこれまでの物質材料研究に融合させることで新物質材料科学研究を加速する取り組みの場としてスタートした MI 2 I 産学官オープンイノベーションのハブとして企業組織の枠を超えたデータ利活用プラットフォームの構築を目指し産学官の力を結集させるコンソーシアムを開設します活動理念に賛同する企業研究機関および大学を会員として募りますコンソーシアム趣意書 ( 活動理念 ) 会則や登録方法については NIMS のホームページをご覧くださいお問い合わせ先情報統合型物質材料研究拠点運営室茨城県つくば市千現研究本館居室棟 6 階 609 号室 TEL: CMI2@nims.go.jp NIMS NOW vol.16 No.3 通巻 158 号平成 28 年 6 月発行国立研究開発法人物質材料研究機構古紙配合率 100% 再生紙を使用しています植物油インキを使用し印刷しています茨城県つくば市千現 TEL FAX inquiry@nims.go.jp Web 定期購読のお申し込みは上記 FAX またはにて承っております禁無断転載撮影 : 石川典人デザイン :lala Salon Associates 株式会社 2016 All rights reserved by the National Institute for Materials Science

Microsoft Word - 01.doc

Microsoft Word - 01.doc 科学技術振興機構 (JST) 理化学研究所京都大学有機薄膜太陽電池で飛躍的なエネルギー変換効率の向上が可能に ~ 新材料開発で光エネルギー損失低減に成功 ~ ポイント塗布型有機薄膜太陽電池 ( 塗布型 OPV) の実用化には変換効率の向上が課題となっている新しい半導体ポリマーの開発により塗布型 OPV の光エネルギー損失が無機太陽電池並みまで低減に成功した塗布型 OPV