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1 超高効率太陽電池の研究と 水素社会への展開 Solar-fuel generation Consumption Solar-fuel generation Transport Solar-fuel generation Transport 中野義昭東京大学大学院工学系研究科

2 太陽電池の効率記録 2

3 集光型太陽電池 Puertollano and Seville (Spain) 3

4 PV コストのラーニングカーブ CPV System cost 2014 Si System cost 2014 Si system cos CPV system cost projection 出典 :PV status report 2013, JRC Scientific and Policy Report CPV のデータを追記 Si パネルと同様のラーニングカーブを仮定すれば,CPV について累積 100GW 導入時には $1/Wp 以下のシステムコストが可能 4

5 CPV と Si モジュールの比較 LCOE ($/kwh) LCOE: Levelized Cost of Electricity 宮崎 Cell eff. Junction Cell area (mm 2 ) DNI (kwh/m2/day) Conc (suns) カリフォルニア Opt. eff. PR System Si CPV1 CPV2 CPV3 アリゾナ cost ($/Wp) CPV % 81% 3.04 CPV % 85% 1.90 CPV % 85% 0.88 CPV1: 現状 CPV2: 効率向上 CPV3: さらにコスト低減 高照度地域では, 現状でも CPV のほうが低 LCOE 効率向上により. 日本でも CPV にメリットが出る. さらなるコスト低減により,CPV は圧倒的なコスト優位性を発揮できる CPV の発電量 DNI モジュール効率 PR Si パネルの発電量 GHI モジュール効率 PR PR: Performance ratio 耐久年数 25 年を仮定 低 DNI 地域 :DNI<GHI 高 DNI 地域では DNI>GHI 5

6 効率向上によるコスト低減 System cost ($/Wp) ($/kwh) Cell 50% 4 接合セルでセル効率 50% 集光倍率 1000 倍 ( 集光レンズのコスト増 ) Improved Optics セルサイズ縮小 (50 m 2 1 mm 2 ) 集光倍率を 1500 倍に ( トラッキング不良による PR 悪化 ) Improve tracking 追尾精度向上レンズ表面汚染防止 PR を 86% に改善 0.00 Baseline Cell 50% Improved optics Improved tracking 0.00 コストの仮定は以下の論文に基づく R.R. King et al., Solar cell generation over 40% efficiency Prog. Photovolt: Res. Appl. 20 (2012)801. Cell Cell package Module package Cooling Optics BOS Power cond. Tracking LCOE(Miyazaki) BOS: cost of balance-of-system (BOS) excluding power conditioning e.g., support structures, wiring, installation, operations and maintenance, financing Cell eff. Junctio Cell area Conc System cost n (mm 2 Opt. eff. PR ) (suns) ($/Wp) Baseline % 81% 3.05 Cell 50% % 81% 2.45 Improved optics % 68% 1.45 Improved tracking % 86%

7 セル効率とモジュール効率 セル効率だけでなく, モジュール効率の向上が課題. 光学効率の良い集光システムが必須. 7

8 CPV の普及には日本の産業界の総合力が必要 現状 CPV では, 効率のチャンピオン効率と, 運用時のシステム効率の開きが大きい. 総合的な高効率 高信頼化の取り組みにより. 長期運用でもっともパフォーマンスを発揮できるシステムを構築すべき. ターンキーモデルでは実現不可能. 日本の強みがもっとも活かされる分野! 高効率化 - セル効率 - モジュール効率 ( 光学技術 放熱技術 ) - システム効率 ( 追尾精度 ) 低損失化 CPV では表面汚染による光散乱の影響が, パネルよりも大きい 防汚コーティング 長寿命化 高信頼性多数部品の摺合せ技術 日本の得意技 メンテナンス アフターサービス日本の得意技! 8

9 超高効率のための必須事項 ~ 集光 ~

10 太陽電池の動作原理 ( なぜ 100% のエネルギー変換ができないか?) 太陽電池 太陽から届く光子 電子 エネルギーの損失 2 電流 = 吸収した光子数 粒の大きさ = エネルギー 電圧 < 光子のエネルギー 外部での仕事 光子のエネルギーを電子に渡す 光子 1 個 電子 1 個 半導体は孔 ( バンドギャップ ) より大きな光子しか吸収できない エネルギーの損失 1 1 種類の半導体を使った太陽電池では,2 つのエネルギー損失要因により, 変換効率は約 30% にとどまる.

11 太陽電池の電流 - 電圧特性 ( 非集光下 ) I Light load I 0 Dark V bi V hν I qv bi hν I 11

12 V oc < E g Single-junction cells R. King et al., Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19:

13 光子のリサイクル 発光再結合は変換効率を低下させない E c E v Conversion efficiency 28.8 % 電子 正孔 光エネルギー損失なし Non-radiative recombination 非輻射損失の抑制が最重要 Conventional Light-trapping cell w/o substrate Negligible non-radiative recombination absorption by carriers Back electrode Absorption emission effective light scattering 13

14 なぜ集光すると高効率になるのか? 弱い日射 電流が減る 一部の電子は太陽電池の中でエネルギーを失う 外部での仕事 強い日射 電流 日射強度 エネルギー損失は電圧だけで決まる. 外部での仕事 太陽電池の中が電子で一杯になり, 多少のエネルギー損は無視できる. 高効率

15 太陽電池の電流 - 電圧特性 ( 集光下 ) I I (x1/10) Light intensity x10 0 Light Cf. Light intensity x1 V bi V 0 Light Dark V bi V load I 集光動作 開放電圧 (V oc ) の向上 曲線因子 (FF) の向上 15

16 太陽電池の電流 - 電圧特性 ( 集光下 ) I I (x1/10) Light Light intensity x10 Light Cf. Light intensity x1 load I 0 V bi V 0 Dark V bi V 集光動作 開放電圧 (V oc ) の向上 曲線因子 (FF) の向上 16

17 集光による変換効率向上 cell size 4.0mm x 4.0mm In-house Measurement AM1.5G spectrum 43.5% 300 ~ 500-sun 17

18 開放電圧低下の熱力学的解釈 Carnot Boltzmann 1 sun concentration Ω abs Ω abs Ω emit Ω emit Hirst et al., Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19: pp Ω abs <<< Ω emit Ω abs < Ω emit 18

19 高効率化に向けた取り組み ~ 多接合太陽電池 ~

20 多接合太陽電池 高効率 電圧 光子 大 のエネルギー 電圧が 増える 外部での 仕事 電圧 光子 中 のエネルギー 電圧 光子 小 のエネルギー 光子 電子のエネルギー伝達頻度 電流 は 3つの半導体の間で等しくなる 異種の半導体 孔の大きさが違う網 の重ね合わせ エネルギーの大きな光子から順に電力に変換 光子のエネルギーを無駄なく利用

21 多接合太陽電池 M. Yamaguchi et al., Solar Energy 79 (2005) Energy effifiency (-) Photon flux (m -2 ev -1 ) Photon Energy (ev) InGaP GaAs Ge n p n p n p 中間セルからの電流出力が全体の電流出力のボトルネック 21

22 3 接合セルのさらなる高効率化 2.4 GaP 格子整合系材料 (InGaP/GaAs/Ge) 電流不整合 Bandgap (ev) 電流整合と最適 Eg の組み合わせを両立する材料 GaInNAs( 結晶の質に難あり ) GaAsP barrier Si GaAs InGaNAs Ge In 0.52 Ga 0.48 P InP InGaAs well InAs Lattice constant (Å) 22

23 多接合セルの高効率化に向けた戦略 InGaP 1.9 ev GaAs 1.4 ev 格子緩和層 InGaP 1.87 ev 新材料 1.2 ev Ge 0.67 ev 材料 1 xx ev 材料 2 xx ev 材料 3 xx ev ウエハ貼り合わせ界面 InGaAs 1.0 ev 逆方向成長格子不整合型 格子整合新材料型 ウエハ貼り合わせ型 23

24 逆エピタキシャル成長 + リフトオフ Back Electrode Si support substrate 傾斜組成層の歪みマネジメント 成長方向 InGaAs Bottom (1.0eV) compositional graded buffer GaAs Middle (1.42eV) InGaP Top (1.88eV) 基板剥離 GaAs Substrate Front Electrode T. Takamoto, et al, Proc. IEEE PVSC 35, pp (2010). 24

25 GaInNAs を用いた中間セル Theoretical efficiency > 50%. (AM1.5, 1-sun) Material for 3rd sub-cell: ~1 ev bandgap. Lattice-match to GaAs, Ge. GaInNAs Control of In & N composition enables lattice-match to GaAs. ( [In]:[N] ~3:1 ) Prof. Okada, Univ. Tokyo 25

26 GaInNAs の結晶品位改善 N 取り込みの不均一性がキャリア移動度を悪化させる 結晶成長プロセスの改善が必要 (Sb サーファクタントなど ) n-gaas :Spatial distribution of N E :E C -E L(N) 1/10 N comp. larger n-gainnas optimum Prof. Okada, Univ. Tokyo 26

27 歪み補償量子井戸 GaP Compensator (GaAs y P 1-y ) InGaP E g =1.2 ev Quantum wells Bandgap (ev) Si GaAs Ge Substrate InP Absorber (In x Ga 1-x As) InAs Lattice constant (Å) A strain-balanced stack [Well] InGaAs [Barrier] GaAsP GaAs Ge Pseudo-morphic 27

28 単接合セル I Photon flux Photon Energy E Fn E c V E Fp E v 28

29 量子構造挿入セル I Photon flux Photon Energy E c E Fn E i V E Fp E v 実効バンドギャップの減少 電流増大 Δμ の減少 電圧低下 29

30 量子井戸挿入のメリット デメリット 25 I-V characteristic 1 0V Curernt Density [ma / cm2] GaAs Ref. PNMQW10 PNMQW20 PNMQW30 PNMQW Voltage [V] Int. Quantum Efficiency GaAs Ref. PNMQW10 PNMQW20 PNMQW30 PNMQW Wavelength [nm] 1030 nm 1.2eV p-gaas MQWs n-gaas hν Photocurrent from QWs hν Recombination in QWs 30

31 究極の量子井戸挿入セル 薄い InGaAs 井戸 吸収端波長での吸収強度は井戸の厚さでなく数に比例 薄い井戸 歪みの蓄積が少ない GaAs 緩衝層 階段型ポテンシャル キャリア脱出促進 結晶歪みの大きいヘテロ界面の除去 薄い GaAsP 障壁層 キャリアのトンネル輸送 最適構造 In 0.30 GaAs GaAs GaAsP nm 2.6 nm 3.0 nm InGaAs well GaAs interlayer GaAsP barrier 31

32 究極の量子井戸セル w/o anti-reflection coating Current Density (ma/cm 2 ) AM1.5 Optimized-MQW100 Typical-MQW70 GaAs reference Voltage (V) Internal Quantum Efficiency Optimized-MQW100 Typical-MQW70 GaAs reference 1.23 ev Wavelength (nm) Structure (periods) Well Barrier Interlayer Typical MQW(70) In 0.22 Ga 0.78 As (7.5 nm) GaAs 0.60 P 0.40 (8.0 nm) GaAs (0.6 nm) Optimized MQW(100) In 0.30 Ga 0.70 As (3.5 nm) GaAs 0.60 P 0.40 (3.0 nm) GaAs (2.7 nm) J sc = 18.6 ma/cm 2 expected under InGaP filter Total MQWs 525 nm 350 nm 32

33 中間バンドセル I Photon flux Photon Energy V E Fn E Fp 赤外光による励起 E c E i E v 実効バンドギャップの減少 電流増大 E i と E Fn を分離 ( 赤外光励起 ) 電圧低下せず 33

34 中間バンド動作実現のために 最大化 VB IB, IB CB の光吸収を最大化することがポイント 34

35 MBE による量子ドット成長 Molecular Beam Epitaxy Cell size: 3mm 3mm Structural parameter of QDs Sheet density: cm -2 QDs layer: InAs 2 MLs with Si-doping Barrier layer: GaN 0.01 As nm Mean diameter: 24.6 nm Mean height: 4.7 nm 100 nm 35

36 高電圧低電流量子ドット太陽電池 ワイドギャップセル ~~~ トンネルダイオード ~~~ suns InAs/GaAs 量子ドット超格子セル GaAs 基板 電流密度 (ma/cm 2 ) 開放電圧 V oc 2.05 V 短絡電流密度 J sc ma/cm 2 最大出力電圧 V m 1.79 V 最大出力電流 J m ma/cm 2 形状因子 FF 78.8 % 集光倍率 suns 72 直列抵抗 R s 並列抵抗 R sh 0.39 Ω Ω 電圧 (V) 36 36

37 高倍集光下の特性 CPV 岡田研 変換効率 (%) 温度上昇による開放電圧の低下 UL 測定結果 (bare cell) 岡田研 (Flash lamp:2ms) CPV 社 (CW/Shutter:30ms)

38 高効率化と低コスト化に向けた動向

39 ウエハ接合による 4 接合セル suns 39

40 集光太陽電池の低コスト化に向けて InGaP GaAs 常温にて加圧 InGaP GaAs InGaAs InGaAs Ge エピ技術 on Si 成長 結晶層の剥離 薄層化 基板リサイクル Ge ウエハ接合 結晶同士の直接接合 LED やヘッドライトの設計 製造技術を活用した集光モジュール設計 SEMPRIUS 高追尾精度 & 低コストな追尾メカ 装置技術 実装技術の出番! 40

41 まとめ : 太陽電池の高効率化に向けて 集光 + 非発光再結合の抑制 ( 結晶欠陥抑制 ) が必須 多接合セルの高効率化 格子整合条件 バンドギャップ組み合わせの最適化 GaInNAs: 結晶品位が向上すれば最適なミドルセル材料 量子井戸セル : 基板の制約のなかでのバンドギャップ調整 歪み保障量子井戸 多数の井戸積層が可能 光吸収に有利 閉じ込め準位からのキャリア取り出しがつねに課題 薄い障壁層 中間バンドセル バンドギャップ内中間準位の提供 : 量子ドットなど 電圧をキープしたまま電流増大 集光太陽電池の低コスト化 普及に向けて 高倍集光下では,III-V 半導体コストではなく, モジュール実装コストや集光光学系 追尾系のコストが主要 革新的技術の導入により, シリコンパネルと競争可能なコストを実現可能. 41

42 蓄エネの 2 大技術 University of Tokyo 定置型 大容量を低コストで貯蔵 Solar power generation Surplus electricity Electricity demand time 長距離輸送型 高エネルギー密度 ( 体積ベース ) 安定性 Power generation by stock energy Solar-fuel generation Transport? Energy storage Electricity generation Consumption Solar-fuel generation Transport Solar-fuel generation 42

43 水素蓄エネ技術 University of Tokyo Solar power generation Surplus electricity Electricity demand time Power generation by stock energy? Energy storage Electricity generation 43

44 再生可能エネルギー利用自立分散型エネルギーシステム 高効率太陽電池 電力 マネジメントシステム 風力 電解セル 燃料電池 エネルギー自立住宅 人工光型植物工場 水素 水素タンク 太陽電池の余剰発電量を高効率で水素に変換 ( 太陽光から水素へのエネルギー変換効率 >20%) 水素にエネルギーを貯蔵 ( 家庭需要の 3 日分以上 ) 燃料電池で発電 熱源として利用 エネルギー自立性の高い地方, 島嶼部に導入 新たなエネルギーシステムとして世界展開 電力系統に頼らない自立エネルギーシステム 系統の受け入れ能力に制限されない大規模再生可能エネルギー導入 44

45 水素蓄エネ技術の位置づけ University of Tokyo cost ($/system) 100,000 80,000 60,000 40,000 20,000 Li-ion (conventional) Li-ion (2020) H2 storage (conventional) H2 storage (2020) Electrical power capacity (kwh) 家庭 1 軒 1 日分 家庭 1 軒 3 日分 蓄電池 : コスト エネルギー容量 ( 大規模蓄エネほど高コスト ) 水素蓄エネ : コスト エネルギー時間密度 ( 大規模蓄エネでもコストはほぼ不変 ) 45

46 46 太陽光から水素へのエネルギー変換 University of Tokyo The fraction of energy stored as ΔG of hydrogen with respect to incident solar energy H 2 O = H 2 + ½ O 2 ΔG=1.23 ev η STH = (1.23 V)(1.6x10-19 C)(# of H 2 molecules obtained) Incident solar energy (W m -2 ) (per unit area and time)

47 An attractive and integrated combination of efficiency, stability, and scalability has yet to be demonstrated Courtesy of Dr. Ager LBNL, USA >10% >5% Shaner, Walczak, Sharp, Ardo, Ager, under review Ager, RCAST lecture, 3/14/14-47

48 Courtesy of Dr. Ager LBNL, USA Solar-to-hydrogen energy conversion 12% STH Turner et al. (1998) Pt/pn-GaAs//p-GaInP/Pt 18% STH Licht et al. (2000) RuO 2 /pn-algaas//pn-si/pt black ~3% STH Nocera et al. (2011) Co-Pi/3J-a-Si/NiMoZn ~5% STH van de Krol et al. (2013) Co-Pi/BiVO 4 //2J-a-Si/Pt wire 10% STH Jacobsson et al. (2013) 3xCIGS tandem + Pt 15% 10 suns Fujii et al. (2013) 3J tandem + EC Ager, RCAST lecture, 3/14/14-48

49 集光多接合太陽電池 University of Tokyo Energy effifiency (-) S -1 ) Photon flux (m -2 ev -1 ) :00 12:30 15: Photon Energy (ev) InGaP GaAs Ge n p n p n p Miyazaki Univ. 49

50 Solar-to-hydrogen 効率の最大化 University of Tokyo 効率太陽電池と電解セルの直接接続 太陽電池と電解セルの I-V 特性の交点が動作点になる CPV OP 宮崎大学の天日条件で STH=15.3% を達成. EC 50

51 51 水素発生の様子 ( 半導体光触媒 ) University of Tokyo 光触媒 : GaN on 2 インチサファイアウエハ (20 cm 2 )

52 52 水素発生の様子 ( 集光太陽電池 + 水電解 ) University of Tokyo 太陽電池受光面積 cm 2 3 = 1200 cm 2

53 最高効率を得るための開発項目 University of Tokyo 太陽電池 + 水電解セルの直接接続は, 太陽光から水素へのエネルギー変換効率を考えるための最適なモデルである. 電解セル半導体材料への要請 Current 太陽電池 - 効率向上 - バンドギャップ最適化 Voltage 53

54 最高効率を得るための開発項目 University of Tokyo 太陽電池 + 水電解セルの直接接続は, 太陽光から水素へのエネルギー変換効率を考えるための最適なモデルである. 電流最大化 Current 太陽電池 電圧ロス低減 電解セル 電極表面反応器設計 への要請 - 過電圧低減 - 直列抵抗低減 Voltage 54

55 55 水素発生効率の将来展望 University of Tokyo STH > 20% は十分可能 Fractional Efficiency [-] Now Target Comment Solar cell Approximately 30% has been reported. Pop/Pmax By optimizing connection V(H2)/Vop ΔG/ΔH for H 2 O evolution is Faraday Total 水素製造コスト $2.2 /kg ( オーストラリア等の日照条件の良い地域で ) CO 2 からの太陽光燃料生成 ( 人工光合成 ) の高効率化などさらにアグレッシブな目的には太陽電池と電気化学反応器を分離するアプローチが有効.

56 光合成 (PS II) に学ぶ低過電圧電極 University of Tokyo photon Thylakoid membrane Stroma Light harvesting complex photon Lumen Oxygen evolving center PS II Cyt b6/f PS I Ferredoxin NADP reductase H + gradient ATPase CaMn4O5 Marokite (CaMn 2 O 4 ) 56

57 57 CaMn 2 O 4 電極による酸素発生の低過電圧化 報告されている酸素生成触媒との比較 University of Tokyo カーボンペースト CaMn 2 O 4 Co 3 O 4 Mn 2 O 3 RuO 2 RuO 2, よりは大きいが 地球上に豊富な物質利用では最も小さい過電圧

58 水素蓄エネ技術はスケーラブル University of Tokyo 家庭 コミュニティー用 ポリマー電解セル 太陽光パネル 燃料電池 H 2 大規模産業用 アルカリ電解 風力発電 集光太陽電池 H 2 58

59 水素蓄エネ自立エネルギーシステムの社会実装 University of Tokyo 人口低密度地域, 離島などに有効 電力網整備コスト > 水素蓄エネのシステムコスト エネルギー自給自足の価値 農業などへの応用 現在でも, 地域条件によりコストメリットあり 今すぐ構築可能なシステム ( でも, まだ存在しない.) まずはデモンストレーションが必要 59

60 世界規模のエネルギーシステム University of Tokyo Solar-fuel generation Consumption Solar-fuel generation Transport Solar-fuel generation Transport 大規模エネルギー消費地 日照条件の良い地域 太陽光エネルギーの蓄エネ, 輸送が不可欠. 60

61 Energy density in various storage media University of Tokyo Super capacitor CH x O y Redox rxn. Li ion battery CH x O y combustion. Metal Redox rxn. x10-4 smaller on volume basis H 2 combustion Metal redox reaction High energy density, ready for transport Hydrocarbon combustion The same as existing fossil fuels Solar synthesis of hydrocarbons is highly demanded. Energy density (kwh/kg) 61

62 各媒体のエネルギー密度 University of Tokyo (kwh/kg) (kwh/l) ガソリン ( 燃焼 ) メタノール ( 燃焼 ) 水素 (150 気圧 ) ( 燃焼 ) メチルシクロヘキサン (H 2 キャリア ) アンモニア (H 2 キャリア ) ( 液化 ) CH 4 ( 燃焼 ) ( 液化 ) Mg 酸化

63 CO 2 フリー天然ガスのエネルギー効率 University of Tokyo LNG プラント 太陽光 水 CO 2 LNG 電力 40% 水電解 水素 75% メタン化 CH 4 75% LNG オーストラリア 輸送 97% 太陽光 LNG 輸送 電力の総合効率 13% 電力 発電 60% 63

64 ソーラー天然ガスの課題と展望 University of Tokyo 現状では CO 2 は片道利用のみ 次世代エネルギーキャリア出現までの現実的な つなぎ すぐに実現できる技術. まずは社会実装が優先. これからの技術開発 低濃度 CO 2 の濃縮 低濃度 CO 2 を効率よく還元する反応器 新技術が必要 再生可能エネルギー + 水 再生可能エネルギー + 水 CH 4 CO 2 CH 4 CO 2 CH 4 エネルギーエネルギーエネルギー CO 2 が再利用可能なエネルギーキャリアになる! 64

65 低濃度 CO 2 を効率よく還元する反応器 University of Tokyo 水電解 H 2 O O 2 H + H 2 水溶液 高効率化改良 O 2 H + プロトン透過膜電解セル H 2 CO 2 還元 還元生成物 H 2 C x H y CO 2 O 2 H + 水溶液 これからの研究開発 H 2 O CaMn x O y 触媒 H + CO 2 高選択 CO 2 還元サイト 溶液中濃度 H + CO 2 O 2 C x H y, H 2 H 2 O Y. Hori, Modern Aspects Electrochem. 42 (2008)

66 高選択 CO 2 還元サイト University of Tokyo δ O C δ+ δ O O C O π* 反結合性軌道 共鳴電子遷移金属 d 軌道 メタルクラスタ反応サイト CO 2 : 気相から金属クラスタに吸着 CO 2 H + 酸化物ナノ構造 H + 透過膜 電子 : 集電子体から半導体バルクを経て金属クラスタに移動 e - H + : 裏側のアノードで生成し膜を透過 半導体表面を拡散して反応サイトに至る. 集電体 66

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