第 7 章 これからの 太 陽 電 池 ( 上 級 編 ) 79 低 コストな 太 陽 電 池 を 目 指 して 材 料 ウェハー 化 コストを 下 げるには 図 は 7 年 における 住 宅 用 太 陽 光 発 電 システム 価 格 (6 円 /kwh)のコスト 内 訳 を 示 したものです この

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1 7 これからの 太 陽 電 池 ( 上 級 編 ) 太 陽 電 池 は 今 後 どのような 方 向 に 技 術 開 発 が 向 いていくのでしょうか この 章 では トピックスをいくつか 例 示 して これからの 太 陽 電 池 の 動 向 をイメージしていただきたいと 思 います

2 第 7 章 これからの 太 陽 電 池 ( 上 級 編 ) 79 低 コストな 太 陽 電 池 を 目 指 して 材 料 ウェハー 化 コストを 下 げるには 図 は 7 年 における 住 宅 用 太 陽 光 発 電 システム 価 格 (6 円 /kwh)のコスト 内 訳 を 示 したものです このうち 工 事 費 用 が 半 分 を 占 めていて モジュールコスト は 円 /kwh 程 度 になっています NEDOの 目 標 では 年 度 にシステム 価 格 円 /kwhとなっていますから 6 円 を/3にまで 減 らさなければなりません したが って 年 にはモジュールコストも/3の7 円 /kwhにしなければならないのです 結 晶 系 シリコン 太 陽 電 池 の 場 合 モジュールコストの 半 分 をウェハーコスト( 内 訳 は 材 料 コストとウェハー 化 のコスト)が 占 めています 将 来 的 には ()に 書 い たようなソーラーグレードシリコンによって 材 料 コストを 下 げられますが 当 面 は ウェハーの 厚 さを 現 在 の 半 分 のµmにすることが 検 討 されています このためには ウェハー 切 断 ロス(カーフロス)をどれだけ 減 らせるかが 課 題 です 薄 膜 系 太 陽 電 池 材 料 の 採 用 は 材 料 ウェハー 化 コストの 抜 本 的 な 解 決 策 になり ます 薄 膜 系 では ガラスやプラスチックフィルムなどの 安 価 な 基 板 上 に スパッタ 真 空 蒸 着 CVDなどで 堆 積 させて 太 陽 電 池 材 料 薄 膜 を 形 成 します CIGS 太 陽 電 池 は 安 価 な 青 板 ガラス 上 に 金 属 合 金 膜 をスパッタし この 膜 をチェ ンバ 内 でセレン 化 することで 低 コストを 実 現 しています また 薄 膜 シリコン 系 やCIGS 系 では フィルム 基 板 を 使 ったロール ツー ロール 法 ( 図 3)で 高 速 に 製 膜 できます 今 後 さらに 低 コストで 大 面 積 の 太 陽 電 池 膜 を 均 一 に 作 製 するための 方 法 として スプレー 法 ( 図 ) 塗 布 法 電 気 メッキ 法 なども 研 究 されています セル 化 モジュール 化 のコストについては 生 産 規 模 が 大 きくなれば 必 然 的 に 低 下 すると 考 えられます また 透 明 導 電 膜 や 配 線 に 使 うレアメタルを 減 らすことも コスト 削 減 には 有 効 です 結 晶 系 シリコン 太 陽 電 池 はウェハー 厚 を 半 分 にしてコスト 削 減 を 図 る 抜 本 的 には 薄 膜 化 によって 材 料 節 減 と 製 造 コスト 低 減 を 図 る 図 図 住 宅 用 太 陽 光 発 電 システム 価 格 (6 円 /kwh)の コスト 内 訳 (7 年 ) スプレー 法 ジールコスト 工 用 ーコンディシー ( 出 SA: 典 :シャープ 総 合 総 資 合 源 資 エネルギー 源 調 査 調 会 査 第 会 3 第 3 回 新 回 エネルギー 新 部 会 部 資 会 料 資 料 ) 図 ウェハーコストの 低 減 図 3 ロール ツー ロール 法 ウェハーの 厚 をのから 半 分 の にして 材 料 コストを 低 せる カーロス(りしろ)をいかになするか が ル ルトコン 用 ーー ロール ツー ロール 法 をってィルム に 太 陽 電 池 を 高 でる 低 コストで 大 面 積 の 太 陽 電 池 膜 を 一 に 製 するたの 法 としてスプレー 法 法 電 ッ 法 ながれている 図 のス プレー 法 では にした 料 を ル トコンにいた 上 にルから し して 結 晶 化 して せ 製 製 膜 膜 する 法 では 法 で ーブからりてして は ーブからり して 製 膜 する 電 ッ 法 では をッにて 電 し し 上 に 上 に 積 する 積 する 7 7 9

3 第7章 高効率の太陽電池を目指して 図 これからの太陽電池 上級編 半導体の低次元化の流れ b １次元構造量子細線 a ２次元構造量子井戸 c ０次元構造量子ドット g 究極の低コスト化は高効率化です なぜなら 変換効率が倍になれば 同じ電力 を半分の面積で発電できるので 材料コストも設置コストも半分ですみます 7 で述べたように 従来型の太陽電池シングルセルでは 変換効率 3 を超えること は不可能です したがって新しいコンセプトが必要です それが量子ドットです ナノテクノロジーが進展して 半導体の微細な構造をつくることが可能になり nm g 厚み方向で 内に電子の 波を閉じ込め g> g 線に垂直な方向で 内 に電子の波を閉じ込め 3 方向で 内に電子の波 を閉じ込め 図に示すように 次元 次元 次元と 低次元化できるようになりました a に示した半導体次元構造の量子井戸では 電子は方向 膜厚方向 に閉じ込めら れ 膜厚に垂直な 方向にしか自由に動けません この状態を 次元電子ガスとい います b に示す 次元構造の量子細線では 電子は細線の長手方向に垂直な 図 a 量子ドットの電子状態 バンドギャップの 大きな半導体 方向に閉じ込められ 自由度は になります さらに c に示すように 次元構 c b 造にしたのが量子ドットです g 図 は 量子ドットの電子状態を示しています 量子ドットは a のように バン ドギャップの大きな半導体に囲まれた バンドギャップの小さな半導体のナノサイ ズの箱です 電子の波は b のように 3 方向に閉じ込められて運動の自由度がな くなるために c エネルギー状態は幅のないになります このの バンドキャップの小さな 半導体 が埋め込まれ ている 電子の波は の3方 向に閉じ込められている g 閉じ込められた電子 ホール はをつくる エネルギーは 量子ドットのサイズ W を変えることによって制御できます また 図 3 の a のように 量子ドット超格子 ナノサイズの間隔の配列 をつくると b のようなミニバンドが生まれ バンドギャップを人工的に制御することができます 光をあてると いくつかのミニバンド間の遷移が起きるので 広い波長範囲の光 図3 量子ドット超格子の電子状態 a 量子ドット超格子 b 量子ドット超格子のミニバンド構造 を吸収し 効率よく電気に変えることができます 理論的には 6 を超える高効率 が期待されていますが サイズのそろったドットを均一に並べることが技術的に難 しく 高効率を実現するまでの道のりはまだまだ長いようです 高効率化すれば 小面積で同じ発電量を得られ低コスト化できる 量子ドット太陽電池は高い変換効率が期待できるが道のりは長い 広い波長範囲の 光を吸収できる 量子ドットを a のように高密度に3 次元配列させると相互作用が起きて b のようにいくつも のエネルギーバンドができ 光スペクトルを有効に利用できる

4 これからの太陽電池 上級編 第7章 ありふれた材料で環境にやさしく 太陽電池の元素戦略 表 順位 表 に を 3 位まで掲げます おおまかには 酸素 O が半分 シリ 3 元素 順位 酸素 O 9. ストロンチウム Zr. ケイ素 Si アルミニウム Al 鉄 Fe 元素 順位 塩素 Cl.9 マンガン Mn.9 元素 クロム Cr. ストロンチウム Sr リン P. 3 バナジウム V.7 炭素 C. ニッケル Ni. 硫黄 S.6 銅 Cu.. コン Si が/を占めています から見るかぎり 次世代においてもシリ カルシウム Ca 3.39 コンが最重要な太陽電池材料であり続けることは間違いないでしょう 太陽電池材 6 ナトリウム Na.63 6 窒素 N.3 6 タングステン W.6 7 カリウム K. 7 フッ素 F.3 7 リチウム Li.6 マグネシウム Mg.93 ルビジウム Rb.3 セリウム Ce. 9 水素 H.7 9 バリウム Ba.3 9 コバルト Co. チタン Ti.6 ジルコニウム Zr. 3 スズ Sn. 料として研究されているガリウムヒ素 GaAs テルル化カドミウム CdTe は 3 位 以内にありません CIGS CuIn xgaxse についても かろうじて銅 Cu が 位に 入っているだけなので インジウム In に代えてスズ Sn 3位 と亜鉛 Zn 3位 を使う CuZnSnS という 元化合物に置き換える研究が始まっています ここでは アメリカの地質学者クラークが算出した 地球上の地殻表層部 アメリカの地質学者クラークが算出した地球上の地殻表層部 地表部から海面下約 地表部から海面下約 6kmまでの 6kmまで 岩石圏 93.6% 水圏 の岩石圏 93.6% 水圏 6.9% 気圏 6.9% 気圏.3%.3% に存在する元素の割合を質量パーセントで に存在する元素の割合を質量パーセント で表した指数 この地殻表層部の質量は地球全質量の約 表した指数 この地殻表層部の質量は地球全質量の約.7%.7% にあたる にあたる 位の鉄 Fe を使った太陽電池について紹介しておきましょう 鉄系太陽電池 鉄を使って太陽電池をつくる試みとしては ベータ鉄シリサイド β -FeSi バンド 図 金色の石 黄鉄鉱 ギャップ.eV と黄鉄鉱 FeS バンドギャップ.9eV があります cm 鉄シリサイドを使う太陽電池が実用化したという報告は まだありません 実用 化の段階にあるのは黄鉄鉱 パイライト です 9 年 月にスウェーデンの自動車 に示すように 吸収係数が 6 cm に達する強い光吸収遷移が.eV に存 在することによります この強い吸収は 図 3 に示すように 価電子帯の頂と伝導 図3 帯の底がともにバンド幅の狭い鉄の 3d 電子軌道に由来しているため 状態密度が ev このため FeS 薄膜の膜厚はnm程度でよく これ をp型 n型のワイドギャップ半導体で挟んだ構造によって光起電力を取りだすので 一種の色素増感太陽電池となっています 注 集光型黄鉄鉱太陽電池は の変換 鉄 鉄3 フェルミ準位 鉄3 硫黄 3 価電子帯 硫黄 3 効率が得られると報道されていますが 詳細は不明です 次世代の太陽電池もの大きいシリコンが主流になるだろう 黄鉄鉱は強い吸収帯があるので 太陽電池に利用できる 黄鉄鉱のバンド構造 伝導帯 高いからと考えられます 吸収係数 話題になりました 黄鉄鉱はありふれた金色の石 図 です 金色の原因は 図 注 薄膜の吸収スペクトル 6 メーカーが開発したQuantaという自動車が 黄鉄鉱太陽電池を搭載していることで 黄鉄鉱の吸収スペクトル 図 黄鉄鉱は半導体で 価電子帯のてっぺん と伝導帯の底は鉄の 3 電子の軌道に由 来し 電子の波はあ まり広がらないため バンド幅が狭く 状 態密度が大きいので 光吸収が強い 反射スペクトルから クラ マ ー スクロ ー ニヒ解 析 で 計 算し た吸収スペクトル 3 光子エネルギー ev 黄鉄鉱の光吸収は.9eV 付近で立ち上 が り. ev 付 近 に ピ ー ク を も つ.eV 付近の吸収係数は6 cm に および CISよりも高い 注 金色の石に魅せられて 佐藤勝昭 著 裳華房 99年 注 A.Ennaoui et al.,solar Energy Materials and Solar Cells, 9,,

5 第7章 ソーラーブリーダー計画 図 これからの太陽電池 上級編 桑野氏が提唱したジェネシス計画 太陽電池でつくった電力を世界中に 昼の地域で発電して超伝導ケーブルで 夜の地域に供給すれば 電力貯蔵の 必要がない 99 年に桑野幸徳氏 元三洋電機社長 は 図 のように ジェネシス計画 とい う壮大なプランを提唱しています 注 以下にその概略を記すと 年に必要と される次エネルギーの総量 億石油換算トン を太陽光発電でまかなうとすれば 6 万 km で十分であり これは地球上の全砂漠面積の約 に相当します サハラ 砂漠の面積に太陽光発電所を設置すれば 変換効率 として 必要な 次エネル ギーの倍を供給可能です サハラ砂漠の面積に太陽光発電所を 設置すれば 変換効率 %として 必要な 次エネルギーの 倍を供給 可能 そこで 地球上の各砂漠に太陽光発電所をつくり 超伝導ケーブルの送電網で世 界中に配電すれば 昼の地域から夜の地域に電力を輸送できます そのための第 ステップとして 国内に小規模の光発電システムを組み込んだ送電網を構築し 第 ステップとして 世界各地にローカルなエネルギーシステムを構築 第3ステップで 各地の送電網を接続するというのです 図 科学技術ODAで推進を検討しているサハラブリーダー計画 サハラ砂漠を利用して太陽光発電を行い 地域に電力を供給する サハラブリー ダー計画 SSB という構想が日本学術会議に提案され 推進されようとしています サハラでつくった電力を使って サハラの豊富な砂 SiO からシリコン および太 陽電池をつくり これによって太陽光発電所を増殖 ブリード させるのです つく られた電力は 現地のエネルギー供給や海水淡水化による水供給に使われ 余剰電 太陽電池工場 力は超伝導ケーブルで地中海を越えてヨーロッパに供給されます このために科学 技術 ODA によって 日本とサハラ諸国が共同研究するのを支援しようとしています 年に北澤宏一氏 科学技術振興機構前理事長 はその著書で サハラブリーダー 計画こそ 日本の科学技術の世界への貢献として国際的に評価されるものだと述べ 太陽光発電所 シリコン工場 ています 注 サハラ砂漠の太陽光発電所は 世界のエネルギーの倍を供給可能 サハラブリーダー計画にわが国は科学技術ODAで国際貢献できる 注 太陽エネルギー工学 浜川圭弘 桑野幸徳 著 培風館 99年 pp.3 36 注 科学技術は日本を救うのか 北澤宏一 著 ディスカバー 年 pp. 7 サハラ砂漠に太陽光発電所を設置し ここで発電した電力を使って 砂漠の豊富な砂 SiO から シリコンを取りだし これを用いて太陽電池をつくり これによって太陽光発電所を増殖 ブリード する計画 ここで発電された電力は 現地のエネルギー供給や海水淡水化による水供給に使われ 余剰電力は超伝導ケーブルで 地中海を越えてヨーロッパに供給される

6 エコ 住 宅 年 を 振 り 返 って 筆 者 は 99 年 にエコ 住 宅 を 建 てました それから 年 までの 年 間 に 累 計 で 約 MWhもの 電 力 を 発 電 し 日 常 生 活 に 使 いながら 累 計 MWhの 余 剰 電 力 を 系 統 に 供 給 できました 余 剰 電 力 の 買 い 取 り オール 電 化 強 断 熱 高 気 密 のお かげもあって 快 適 な 生 活 を 送 りながら 光 熱 費 も 建 て 替 え 前 と 比 較 して 約 % 減 少 しました これから 太 陽 電 池 の 導 入 を 考 えておられる 方 々のためのアドバイスをま とめます ❶ 住 宅 新 築 時 に 太 陽 光 発 電 を 導 入 する 場 合 は 強 断 熱 高 気 密 のエコ 住 宅 の 一 環 と して 考 えることが 重 要 でしょう その 場 合 屋 根 材 として 太 陽 電 池 パネルを 導 入 する ことをお 勧 めします ❷ 太 陽 光 発 電 パネルの 出 力 の 公 称 値 は あくまで において 標 準 太 陽 光 (kw/m ) が 南 中 時 にパネルに 垂 直 に 入 射 した 場 合 の 直 流 出 力 の 値 です 実 際 の 出 力 は 公 称 値 の7~ 割 であると 考 えましょう また 太 陽 光 発 電 の 出 力 は 長 期 的 には 劣 化 します ❸ 最 近 の 技 術 開 発 やコストダウン 国 の 補 助 金 政 策 によって いまでは 万 円 前 後 でkWの 太 陽 光 発 電 の 導 入 が 可 能 になりました すぐに 元 がとれるものではありませ んが 自 動 車 台 の 出 費 で 多 少 なりとも 低 炭 素 社 会 実 現 に 寄 与 できれば うれしいで はありませんか 筆 者 宅 の 外 観 6