資料2　小長井委員　説明資料

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おきみちみねむら
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1 文部科学省革新的エネルギー研究開発拠点形成事業 FUTURE-PV Innovation 研究課題 : ナノワイヤー太陽電池資料 2 H 環境エネルギー科学技術委員会研究総括東京都市大学総合研究所教授小長井誠 OUTLINE 1. 事業の概要 2. 研究成果 3. 今後の方向性

2 事業計画概要実施期間 : 平成 24 年度 ~ 平成 28 年度 (5 ヵ年度 ) 研究テーマ : ナノワイヤー太陽電池予算 : 1,185 百万円 ( 平成 24 年度 ) 1,285 百万円 ( 平成 25 年度 ) 1,282 百万円 ( 平成 26 年度 ) 373 百万円 ( 平成 27 年度 ) 235 百万円 ( 平成 28 年度 ) 革新的エネルギー研究開発拠点研究総括 : 小長井誠東京都市大学教授多様な研究者が結集し超高効率太陽電池の創出を目的とした独創性に富んだ研究を推進平成 26 年 4 月に福島県郡山市に開所した AIST 福島再生可能エネルギー研究所内に拠点を形成集結 ( 郡山拠点 ) 研究チームクルーフ研究チームクルーフ研究チームクルーフ研究者研究者研究者施設整備経済産業省 (METI) 福島県再生可能エネルギー研究開発拠点整備事業連携文部科学省 (MEXT) 事業運営委員会委託契約支援拠点形成支援機関科学技術振興機構 (JST) 研究総括の指示の下研究開発に付随する事務等全般を実施するとともに事業運営委員会の開催等により拠点形成に貢献 2

FUTURE PV Innovation の位置づけ 1. 従来型 Si 太陽電池のエネルギー変換効率は 25-26 % で飽和傾向 2.

超薄型ワイヤー型 Si 太陽電池で開放電圧の大幅アップ (0.75 0.80 V) 3.

ウォール ) の形成プロセス確立物性評価 ( 新物性の出現 ) ナノワイヤーデバイス技術開発と超高効率の実証 ( 従来の概念を覆すブレイクスルー )

3 FUTURE PV Innovation の位置づけ 1. 従来型 Si 太陽電池のエネルギー変換効率は % で飽和傾向 2.Si 太陽電池の変換効率の飛躍的向上を目指す革新技術開発ナノワイヤー Si 太陽電池とヘテロ接合 Si 太陽電池のタンデム化で変換効率目標 ~30% 超薄型ワイヤー型 Si 太陽電池で開放電圧の大幅アップ ( V) 3. 量子効果の現れるナノワイヤー ( ウォール ) は未踏領域バルク結晶の超高品質化 ( キャリアライフタイム 10ms 以上 ) ナノワイヤー ( ウォール ) の形成プロセス確立物性評価 ( 新物性の出現 ) ナノワイヤーデバイス技術開発と超高効率の実証 ( 従来の概念を覆すブレイクスルー ) 従来型 Si シングル接合太陽電池の変換効率推移変換効率 % で飽和傾向材料物性で決まる理論限界に迫っている本研究開発拠点で狙う変換効率 30% 以上の超高効率タンデム型 Si 太陽電池量子効果型ワイドギャップ Si 太陽電池 3

4 光学的カットフィルターで太陽光を短波長側と長波長側に分けそれぞれトップセルボトムセルに照射するトップセル材料 ( 短波長光 ) InGaP GaAs ペロブスカイト量子効果型ワイドギャップ Si ボトムセル材料 ( 長波長光 ) Si Si を透過する光は SiGe, Ge でエネルギー変換特性評価のための分光ソーラーシミュレータ 4

5 低倍率集光波長スプリッティング PV システムの構成例波長スプリッティングモジュールカットフィルター ( 波長スプリッタ ) トップセルボトムセル低倍率集光器追尾システムの採用によりシステム利用率は 20% 程度アップ安価な低倍率集光系による大幅な発電コストの削減 5

6 の達移設立上各研究機関で実施福島郡山拠点で実施最H24 年 7 月 ~ H25 年度 H26 年度 H27 年度 H28 年度 1. 事業全体の推進 a. 研究組織体制など研究者 (JST) 雇用各研究機関 JST 研究者は全員郡山で研究実施福島県内研究機関との連携強化 b. 設備導入移設立上など各研究機関に設備設置郡山拠点に設備設置移設郡山拠点で立上本格稼働 c. 広報アウトリーチ 2. チーム 1 超高品質 Si 結晶技術京都大学にて研究実施既設設備で準備研究実施第 1 回国際シンポ第 1 回郡山理科教室第 2 回国際シンポ第 2 回郡山理科教室第 3 回郡山理科教室第 4 回郡山理科教室研究成果のアピール新技術説明会産業フェアなど郡山拠点に設置した大型結晶成長炉で本格稼働 50cm ルツボへ移行 AIST のモジュールラインでの評価実証成FUTURE-PV Innovation ー事業の年次推移 3. チーム 2 ナノワイヤー形成プロセス物性評価東工大東北大 NAIST にて実施大型設備は各研究機関に設置しその後郡山に移設 H25 年度大型設備は郡山に直接設置郡山拠点 ( 一部は東工大名大 ) で実施設備の立ち上げ本格稼働ナノワイヤー作製技術の絞り込みデバイス化 4. チーム 3 ナノワイヤー太陽電池 5. 技術支援チーム東工大にて実施 SiO/Si ヘテロ接合太陽電池で変換効率 19% の達成ナノ構造マイクロ構造太陽電池試作の要素技術開発備品管理移設作業郡山拠点ならびに一部は都市大東工大で実施設備の立ち上げ本格稼働量子効果の検証デバイス化に向けた要素技術研究波長スプリッティング構造で変換効率 30% の実証を目指す各チームへの研究活動技術支援安全安心廃液処理など支援業務終目標H27.4 テーマの絞り込みと組織再構築 H26.6 中間評価 H28.4 再々構築 6

7 H27 年度までの研究課題 H28 年度 ( 最終年度 ) は量子効果型 Si 太陽電池の実現に focus チーム 1 超高品質シリコン結晶技術の研究開発 ( 評価が中心 ) チーム 2 ナノワイヤー形成プロセスと物性評価 ( 量子効果の実証 ) 量子効果ナノウォールトップセル量子効果超格子トップセルチーム 3 ナノワイヤー太陽電池の研究開発 ( 波長スプリッティング法の有効性 ) 7

FUTURE-PV Innovation ー実施体制 ( 平成 28 年度 ) 研究総括小長井誠 ( 東京都市大

研究総括補佐市川幸美 (JST) ( 兼 :AIST との連携協力 ) * 国際諮問委員所属機関名 MIT

Stuttgart University Pennsylvania State University Delft

(JST) チーム 2 ナノワイヤー形成プロセスと物性評価市川幸美 (JST) チーム 3

各チームへの研究活動技術支援安全管理設備保全など支援業務 (1-1) 超高品質シリコン結晶技術中嶋一雄

同技術の企業への展開方策の検討 (2-1) 量子効果ナノウォールトップセル市川幸美 (JST)

解析量子効果の実証 ( パナソニック東工大が参加 ) (2-2) 量子効果超格子トップセル山田繁

評価バンドギャップやキャリア寿命等の評価解析量子効果の実証 ( 三菱電機京セラ東工大が参加名古屋大

カップリング特性向上のためのボトムセル超薄型高 Voc 化山本憲治 ( カネカ ) 開放電圧向上のための

8 FUTURE-PV Innovation ー実施体制 ( 平成 28 年度 ) 研究総括小長井誠 ( 東京都市大 ) 事業運営委員会学界産業界 AIST 国際諮問委員 * JST 支援チーム環境エネルギー研究開発推進部研究総括補佐市川幸美 (JST) ( 兼 :AIST との連携協力 ) * 国際諮問委員所属機関名 MIT Ecole Polytechnique The Czech Academy of Sciences Korea University IMEC Eindhoven Univ. of Technology Shanghai Jiao Tong Univ. Stuttgart University Pennsylvania State University Delft University of Technology チーム 1 超高品質シリコン結晶技術の研究開発中嶋一雄 (JST) チーム 2 ナノワイヤー形成プロセスと物性評価市川幸美 (JST) チーム 3 ナノワイヤー太陽電池の研究開発小長井誠 ( 東京都市大 ) 技術支援チーム熊田昌年 (JST) 各チームへの研究活動技術支援安全管理設備保全など支援業務 (1-1) 超高品質シリコン結晶技術中嶋一雄 (JST) H27 年度までに成長したシリコンインゴットの太陽電池特性評価結晶成長技術の利点や課題の抽出同技術の企業への展開方策の検討 (2-1) 量子効果ナノウォールトップセル市川幸美 (JST) ナノウォール作製技術の改良と物性評価ナノウォールのセル化技術の開発セルの試作評価ナノウォール基礎特性の評価解析量子効果の実証 ( パナソニック東工大が参加 ) (2-2) 量子効果超格子トップセル山田繁 (JST) 超格子ワイヤー構造作製技術の改良と物性評価超格子ワイヤー構造のセル化技術の開発セルの試作評価バンドギャップやキャリア寿命等の評価解析量子効果の実証 ( 三菱電機京セラ東工大が参加名古屋大名工大が協力 ) (3-1) 低倍率集光波長スプリッティング適応型ボトムセル小長井誠 ( 東京都市大 ) 低倍率集光に相応しいボトムセルの最適設計と構造の検討セル試作波長スプリッティングに相応する長波長感度特性に優れたボトムセルの最適設計と構造の検討 (3-2) カップリング特性向上のためのボトムセル超薄型高 Voc 化山本憲治 ( カネカ ) 開放電圧向上のための薄膜酸化膜パッシベーション層の形成やヘテロ接合型ボトムセルの超薄型化の技術開発 (3-3) 太陽電池システム研究小長井誠 ( 東京都市大 ) 集光や波長スプリッティングの条件検討発電特性計測による発電量検討ボトムセルとトップセルの組合せでのデバイス構造最適化総合変換効率 30% 以上を得るための指針や本発電方式のコストメリットの明確化 ( 東京理科大福島大が協力 ) 8

9 平成 28 年度末までにどのようにして変換効率 30% を実証するのか 1. 波長スプリッティング法を採用する 2.1 sun での変換効率をいっそう向上させまた発電コストを下げるため 5 倍から 50 倍程度の低倍率集光を行う 3. 平成 28 年度末までの変換効率目標は下記のとおり 1 sun( 集光なし ) の状態で変換効率 28 % トップセルの変換効率 8-9 % ( 波長スプリッター短波長 ) ボトムセルの変換効率 % ( 波長スプリッター長波長 ) 合計変換効率 28 % 1sun で変換効率 28% が達成できれば 5 倍から 50 倍の低倍率集光により変換効率 30 % の達成は可能今後の方針ナノウォール超格子ワイヤーでの量子効果ワイドギャップ化の検証を確実に行うとともにデバイス化に向けたプロセス開発ナノサイズのワイヤーウォール内での電子輸送特性の把握に集中する太陽電池特性の初期特性を得る 9

35-45cm 径の単結晶インゴットの成長に成功 40cm 径のルツボで 32cm

10 NOC 法による大口径単結晶インゴットの試作に成功 AIST のモジュール化ラインでセル試作開始従来の CZ 法ではインゴット径はルツボ径の 30% NOC 法では 80-90% まで大幅に向上 50cm 径のルツボで 35-45cm 径の単結晶インゴットの成長に成功 40cm 径のルツボで 32cm 径の単結晶インゴットの成長に成功 6 インチセルで変換効率 19.6% を実証 ( 試作ラインでの最高性能に迫る値 ) 無転位化が残された課題 10

11 AIST のモジュール化ラインでの評価 FUTURE 事業と AIST 事業の連携 AIST のほか米国 MIT のグループやフランス INES に評価依頼 11

12 超格子ワイヤー太陽電池構造量子効果は実証済開放電圧 640mV の初期特性観測 MEXT/JST FUTURE-PV Innovation 革新的エネルギー研究開発拠点形成事業 FUTURE - PV Innovation 12

これにより量子効果が期待できる領域まで細線化が可能となり現在量子効果による Si のワイドギャップ化を検証中状態密度

13 数ナノサイズのウォール作製技術の新規開発に成功 1. 形の整ったナノサイズのウォール作製技術の新規開発に成功これまでの各チームグループの成果を融合 2. これにより量子効果が期待できる領域まで細線化が可能となり現在量子効果による Si のワイドギャップ化を検証中状態密度フォトルミネッセンス : 室温で 1.7eV のフォトルミネッセンスを観測 1nm-5nm の幅のウォールの作製に成功! ナノインプリント + Ag 触媒エッチング表面形状ナノインプリント + 異方性エッチング断面形状 13

横型ナノウォール太陽電池幅 7nm 以下の膜厚で開放電圧の増大を確認量子効果か Al Al 3.3nm p + Si n + Si substrate V OC (V) 0.56 0.54 0.52 0.

14 横型ナノウォール太陽電池幅 7nm 以下の膜厚で開放電圧の増大を確認量子効果か Al Al 3.3nm p + Si n + Si substrate V OC (V) L Si = 6.0 µm W Si = 50 µm Si thickness (nm) 薄膜化で開放電圧が増大薄膜化で基礎吸収端 ( 禁制帯幅 ) が短波長側にシフト 14

15 波長スプリッティング太陽電池の特性構造集光倍率変換効率 (%) a-si:h // c-si 1 sun 25.1 InGaP // c-si 1 sun 29.5 InGaP// GaAs // c-si 1 sun 32.3 InGaP// GaAs // c-si 10 suns 35.3 MEXT/JST FUTURE-PV Innovation 革新的エネルギー研究開発拠点形成事業 FUTURE - PV Innovation 15

16 波長スプリッティング太陽電池の屋外発電特性一軸追尾二軸追尾によるシステム利用率の向上低倍率集光系における散乱光の寄与 ( 特にトップセル ) 年間発電量予測 16

17 代表的な研究成果と H28 年度の課題目標テーマ研究成果 H28 年度の課題と達成目標超高品質シリコン結晶技術 (NOC 法 ) 超格子ワイヤー太陽電池 ( トップセル ) ナノウォール太陽電池 ( トップセル ) Si ボトムセル低倍率集光波長スプリッティング太陽電池 50cm のルツボ径で 45cm 径の単結晶 Si インゴットを成長キャリアライフタイム 3ms.6 インチ Si セルで h= % ( 平均 18.9%) SiO/Si 超格子構造の作製技術セル化プロセス開発試作セルでワイドギャップ化に伴う高い開放電圧 Voc=0.64V を観測ナノインプリントと異方性エッチングの併用により幅 1-4nm のナノウォールの作製技術を開発フォトルミネッセンス状態密度測定などによる量子効果の検証横型ナノウォール太陽電池で禁制帯幅のワイドギャップ化 (1.3eV) を確認低倍率集光型セルで Voc=0.77V 厚さが 50 ミクロンの Si セルで Voc=0.74V ナノワイヤー / ナノウォールに対応したパッシベーション技術接合形成技術電極形成技術開発 InGaP//c-Si で h=29.5%(1sun) InGaP//GaAs//c-Si で h=35.3%(10suns) 無転位化が残された課題国内外の研究機関によるセル化 NOC 法の特徴の明確化実用化に向けた活動超格子ワイヤー太陽電池で Si 以上の高い開放電圧を実証水素パッシベーション技術開発ワイヤー形状の最適化セル化プロセスの最適化ナノウォールにおける量子効果の検証 ( 継続 ) ナノウォール太陽電池のセル化プロセス開発太陽電池特性からワイドギャップ化を検証トップセルとしての課題の抽出低倍率集光下で開放電圧 Voc=0.8V, 変換効率 25% 以上超格子ワイヤー / ナノウォールトップセルを用いた場合の変換効率予測課題の抽出システム利用率アップの実証と年間発電量予測発電コスト試算 17

18 今後の方向性 1. 太陽電池技術の過去現在未来 Si solar cell: Invented in 変換効率 h=5-6% present 2014 h=20% 180GW ( 世界の積算導入量 ) Si CdTe, Cu(InGa)Se 2, a-si/mc-si III-V Smart Community Si CdTe, Cu(InGa)Se 2, a-si/mc-si III-V Dye, organic? Perovskite? 2050 h=40% 4500GW ( 世界の積算導入量 ) 18

世界全体で温室効果ガスの抜本的な排出削減を実現するためには多様な再生可能エネルギー源開発が必要太陽光発電の CO 2 削減効果は 0.

19 今後の方向性 2. 量子効果型ならびにペロブスカイト CO 2 削減に向けた太陽光発電の位置づけ 2050 年頃という長期的視野に立って世界全体で温室効果ガスの抜本的な排出削減を実現するためには多様な再生可能エネルギー源開発が必要太陽光発電の CO 2 削減効果は 0.29kg-CO 2 /kwh 100GW 導入した場合日本の CO 2 削減量 3% に対応太陽光発電 100GW の導入は日本の年間電力総需要の 10% に相当総合科学技術イノベーション会議平成 28 年 4 月 19 日エネルギー環境イノベーション戦略について答申次世代太陽光発電については量子ドットペロブスカイト等の新構造新材料を利用した次世代太陽電池を開発すると明記されている 19

20 今後の方向性 3. 具体的なテーマ案わが国の技術力を取り戻し産業競争力を強化するため革新性が高くすぐに真似されない技術を開発わが国で最初に見出されたペロブスカイト太陽電池の研究を拠点に集約化し国際競争力アップ実用化に向けての基礎研究加速加えて当面太陽電池材料はシリコンが主流になることからシリコンベース太陽電池の超高効率化を目指す (NEDO ではまだ未実施の革新技術 ) 未だ研究開発が行われていないが産業界が真に必要としている革新技術具体的には (1) ペロブスカイト太陽電池の鉛フリーによる環境フレンドリー化や高信頼化長寿命化の基礎研究変換効率を極限まで向上させる研究 (2) すぐに真似できない革新技術としての超高効率量子効果型シリコン太陽電池 (3) 製造に要するエネルギーの少ない超薄型高効率シリコン太陽電池シリコンベースタンデム太陽電池世界展開のためのグローバル実環境適応型太陽電池の研究開発など 20

記者発表資料

記者発表資料 2012 年 6 月 4 日報道機関各位東北大学流体科学研究所原子分子材料科学高等研究機構高密度均一量子ナノ円盤アレイ構造による高効率量子ドット太陽電池の実現 ( シリコン量子ドット太陽電池において世界最高変換効率 12.6% を達成 ) < 概要 > 東北大学流体科学研究所および原子分子材料科学高等研究機構寒川教授グループはこの度新しい鉄微粒子含有蛋白質 ( リステリアフェリティン

資料2 小長井委員 説明資料

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