高性能・低コストな CIS系薄膜太陽電池の研究

高性能・低コストな
CIS系薄膜太陽電池の研究
立命館大学
立命館グローバル・イノベーション研究機構
准教授峯元高志
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説明の内容
１．研究の背景
なぜ、いま、CISなのか？
CISとはなにか？
２．研究成果・想定用途・企業への期待
３．産学連携の経歴
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１．研究の背景
なぜ、いま、CISなのか？
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太陽電池材料の種類
シェア
９０％
CIS
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太陽電池の種類別生産量
アモルファスシリコン
(タンデム含む)
CIS薄膜
40MW(1.1%)
CdTe薄膜
219MW(5.9%)
168MW(4.5%)
リボン結晶Si
113MW(3.0%)
年間生産量
in 2007：
3,733MW
単結晶シリコン
(sc-Si)
1195MW(32.0%)
多結晶シリコン
(mc-Si)
1837MW(49.2%)
結晶系Si（sc-Si~ribbon）：88.5%
Si（sc-Si~a-Si）：93.0%
化合物（CdTe&CIGS)：7.0％
CIGS: 1.1%
現状はSiが太陽電池の主流！
a-Si/sc-Si
160MW(4.3%)
Data from RTS corporation (2008, April)
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太陽電池素子の基本構造
バルク型
薄膜型
多結晶Si、単結晶Si
土台となる基板がSi板そのもの
Si基板にエミッタ・電極などを形成
a-Si, CIGS, CdTe
ガラスなどの基板上に膜（層）を堆積
表面電極
エミッタ
光吸収層（結晶Si)
（ベース）
表面電極
透明電極
エミッタ
光吸収層（CIGS等)
（ベース）
裏面電極
基板（ガラス等）
裏面電極
セル厚み
200μm
太陽電池部分（基板以外）
数μm
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企業別生産量
（株）資源総合システム
貝塚氏より提供
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企業別生産量
First Solar
CdTe薄膜太陽電池
ここ数年で低コストで躍進
ほぼ全て
結晶系シリコン
太陽電池
ただし、
/ Cdの環境負荷
/高効率化の限界
(ラボレベルで16%)
CIS系薄膜
に期待！
（ラボレベルで20%)
（株）資源総合システム貝塚氏より提供
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１．研究の背景
CISとはなにか？
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ＣＩＳって？
Elemental
semiconductor
IV
III
Binary
compound
semiconductor
II
Si, Ge
GaAs,GaN,GaP,GaSb,InN,InP,InAs
V
VI CdTe, CdS, ZnS, ZnO, MgO…
Ternary
compound
semiconductor
I
III
VI
CuInSe2, CuGaSe2, CuAlSe2…
Quaternary
compound
semiconductor
I
IIIa IIIb
VI
Cu(In,Ga)Se2, Cu(In,Al)Se2…
Penternary
compound
semiconductor
I
IIIa IIIb
VIa VIb
Cu(In,Ga)(S,Se)2…
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結晶構造と利点
○結晶構造：
カルコパイライト構造
（ダイアモンド構造を縦に二つ）
○光吸収係数
結晶シリコンの100倍
⇒厚み２μmで太陽光を吸収
In
Se
Cu
○最適物性の制御
In⇒Ga、Al
Se⇒S
に置換し、光の吸収域を制御
○光に強い・・・劣化しない
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２．研究成果と対応する用途
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CIGS太陽電池作製フロー
0.1μm
ITO透明電極
スパッタ法（真空・室温）
0.1μm
ZnO窓層
スパッタ法（真空・室温）
0.1μm
CdSバッファ層
化学析出法
（溶液・80℃）
2μm
Cu(In,Ga)Se2
光吸収層
蒸着法 or スパッタ法
（真空・550℃）
0.8μm
Mo裏面電極
3mm
ガラス基板
スパッタ法（真空・室温）
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作製したＣＩＧＳ太陽電池
＊全ての薄膜の形成∼デバイス評価まで一貫して研究室で行える
○研究成果○
これまでに変換効率
１６％を達成
＊ただし1cm2以下の小面積
（世界最高は２０％）
○課題○
大面積成膜技術
ガラス基板
○想定用途○
太陽電池パネル
モバイル電源
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作製したＣＩＧＳ太陽電池
＊全ての薄膜の形成∼デバイス評価まで一貫して研究室で行える
他の研究内容
①Cdフリー・ドライ成膜
バッファ
⇒（Zn,Mg)O
②フレキシブルセル
⇒引き剥がし法
③光吸収層新材料
⇒CuInS22
④低コスト光吸収層
⇒電着法
ガラス基板
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①Ｃｄフリードライバッファ
＊立命館発の新技術
＊Ｃｄを使用しない環境負荷低減技術
○研究成果○
同時スパッタ法で
（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ形成
Chamber
ＣｄＳを用いずに
効率１６．２％
Substrate Holder
Substrate
Shutter
Ar
ZnO
Vacuum
MgO
Target
∼
∼
RF Power
○課題○
大面積成膜技術
○想定用途○
太陽電池パネル
モバイル電源
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引き剥がしセルの外観
②フレキシブルセル
薄膜を引き剥がして、他基板へ移乗
Lift off
High quality CIGS
Soda-lime glass
tf
h
g
i
l
d
n
a
Flexible
IGS
C
y
t
i
l
ua
High q
Soda-lime glass
○成膜温度制約からの解放
○基板選択の自由（低融点基板もＯＫ）
i lm
○研究成果○
引き剥がし技術
セル効率８．０％
（引き剥がしでは世界最高）
○課題○
セル効率向上
大面積引き剥がし技術
○想定用途○
軽量・モバイル電源
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③新材料CuInS2
高真空蒸着法による成膜
Growth chamber
Load lock chamber
断面
表面
1μm
CuInS2
Mo
1μm
○研究成果○
セル化技術
セル効率８．５％
（世界最高は１１％）
○課題○
セル効率向上
大面積化
Al
Cu
In
S
○想定用途○
より環境にやさしい
太陽電池パネル
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④ＣＩＳ層の電着
低コストな非真空製膜
装置概念図
装置概念図
Potensiostat
Reference
Electrode
(Ag/AgCl)
Coulomb
Meter
Working
Electrode
(Mo/SLG)
対極側で発生する
O2がサンプルに取り
込まれるのを防ぐ
Filter
Counter
Electrode
(Pt)
Thermo
Controller
○研究成果○
高品質膜(大粒径）
高速成膜
（2ミクロン/4分）
○課題○
セル効率向上
大面積化
○想定用途○
太陽電池パネル
モバイル電源
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：薄膜太陽電池、及びその
製造方法
• 出願番号
：特願2010-010590
• 出願人
：学校法人立命館
• 発明者
：峯元高志、高倉秀行、岡本晃
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産学連携の経歴
太陽電池メーカーＡ社と共同研究実施
（シリコン系太陽電池）
2006年-2007年
総合メーカーＢ社から研究再委託
（シリコン系太陽電池）
2006年-2008年
NEDO産業技術研究助成事業に採択
（蒸着法によるCu(In,Al)Se2太陽電池）
2008年-現在
NEDO革新的太陽光発電技術研究開発に採択
（蒸着法によるCu(In,Al)S2太陽電池）
2009年-2010年
JST地域イノベーション創出総合支援事業に採択
（電着法によるCuInSe2太陽電池）
現在、６社と基礎研究から実用化に近い開発までを共同で実施中。
• 2003年-2007年
•
•
•
•
•
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お問い合わせ先
立命館大学
研究部理工リサーチオフィス
テクノプロデューサー安川竜二
ＴＥＬ０７７−５６１−２８０２
ＦＡＸ０７７−５６１ −２８１１
e-mail yasukawa＠st.ritsumei.ac.jp
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