6月10日(金)

ナノテクキャリアップ特論
太陽光発電技術とナノテク技術で
変貌する技術と市場の動向
平成28年6月10日(金)
ナノサイエンスデザイン教育研究センター
特任教授
大阪大学大学院工学研究科(テクノアライアンス棟5F)
カネカ基盤技術協働研究所 招へい教授
(株式会社カネカ シニアアドバイザー)
工学博士 太和田 善久
1
本日の講演の内容(レジメ)
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の動向
2
自己紹介


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

1972年 カネカ入社(1947年生まれ、亥、AB型)
1980年~2年間 阪大基礎工電気工学教室研究員(濱川研)
1992年 電子材料開発研究部長
1997年 PV事業開発部長
2000年 理事・電材事業部長、PV技術開発部長
2003年 理事・エレクトロニクスRDセンター長
2004年10月 大阪大学特任教授(ナノ高等学際)兼務現在に至
2006年 6月執行役員、11月イノベーション企画部長
2007年 4月執行役員・研究開発本部副本部長
2007年 6月常務理事・研究開発本部副本部長
2009年 3月常務理事RD推進部イノベーション企画部
2010年 5月シニアフェロー
2011年 7月阪大大学院工学研究科カネカ基盤技術協働研究所
招へい教授、2012年5月カネカシニアフェロー引退
3
2014年5月 日本太陽エネルギー学会 会長就任
増大
人類が抱える3つのE(エネルギー、エンバイロンメント、エコノミー)
のトリレンマ
(三すくみ)
Energy
【エネルギー】
減少
活性
クリンーなエネルギー
に転換することで持続
可能な文明社会を築く
21世紀型社会規範へ
パラダイムシフト
クリーンエネルギー
Clean Energy
Economy
抑制
3E+S
破壊
【経済】
Environment
経済抑制
維持
【環境】
4
次の講演の内容
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の動向
5
太陽電池の発明
Prof. Spear(1975), Prof. Nitta(1977)
Souce: J. JSES 2010,no2
太陽電池の発明を発表(1954)
Drs.Chapin、Fuller、and
Pearson
Souce:J. JSES, 2010 No2
Dr. D.E.Carlson(RCA, 1977)
出典: Alcatel-Lucent LTE, Bell Telephone Laboratories
6
日本が世界をリードしてきた太陽光発電技術開発
FIT開始
多→単結晶
薄膜Si
CIS
原料Si不足
多結晶Si
住宅用
アモルファス
民生用
印刷CdTe
単結晶Si
リモート用
7
世界の太陽光発電システム年間設置推移
8
世界のトップ5累積導入国
•
•
•
•
•
中国
ドイツ
日本
米国
イタリア
43.53GW
39.7GW
34.4GW
25.62GW
18.92GW
9
出典 IEAPVPS、2015
世界の太陽電池生産量推移
10
次の講演の内容
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の動向
11
太陽光スペクトル 1kW/㎡
12
太陽光発電の原理説明
高純度Siが7~10g/W要
13
太陽電池の材料系と種類
新型太陽電池登場
14
民生用の切り札
集積型薄膜Si太陽電池(桑野)
三洋電機桑野他
15
民生用薄膜Siの主役
a-SiC/a-Siヘテロ接合セルの構造(太和田)
シ ン グ ルセ ルの構造
従来のa-Siのp層は色が黒くて光を吸収
a-SiCで透明な材料を開発して入射する
光の量を増やし、且電圧も改善された。
Sn O 2
a-Si: H
a-SiC: H
Zn O
μc-Si: H
Ag
Ti
ガラ ス
p b
i
n
透明p型半導体a-SiC
16
Innovationとは?
重要科学技術史資料ー愛称 未来技術遺産
No.121号(2013年9月認定)
1983年 カネカがフィルムソーラー開発
17
エネルギー・ペイバック・タイム(EPT)
ー生産に要するエネルギーを自ら発電するエネルギー
で回収する期間ー
太陽電池は現在
GW単位で生産さ
れており、2年以内
に回収できるシス
テムとして認知。
化学工学会、小宮山教授主導→NEDO、PVTEC精査
18
電力用太陽電池への展開の動き始まる
国は「限界を越えた」意見側に立ち、モントリオール議定書(1987)
を採択し、特定フロン全廃(1992年)を決めた。代替エネルギー開
発は太陽光発電に重点化を決め、実用化に向けた法改正に着手。
1990年4月 電気事業法改正
太陽光発電の電気設備技術基準規定
1992年4月 太陽光発電余剰電力購入
1993年4月 逆潮有り低圧系統連系
1994年住宅用太陽光発電モニター制度発足
制度上の障害が除かれ太陽光発電システムの時代到来兆し
電力用を目指した薄膜Si太陽電池の構造
Schem a tic Pro file o f A m orph ou s Sola r Cells
a-Si C
μc-Si
a-Si
カネカが採用
後にMHI採用
Gl ass
Sing le Junction
4 .0m m
SnO2 P
n
i
Zn O
Ag
Double Junction
a-Si
Glass
SnO2
P
μc-Si
μc-Si a-SiC
a-Si C
a-SiGe
n
i
P
n
i
Zn O
主要メーカーが採用、Soralex、三洋電機
シャープ、RWE、その他
Al
9 00nm
μc-Si
Grid
Triple Jun ction
μc-Si
a-Si
ITO P
i
μc-Si
a-SiGe
n
P
i
a-SiGe
n
P
i
n
Zn O
Ag
SUS
ECD/USSC、
キヤノン
大面積薄膜Si集積モジュールの構造
1000µm
String
150μm
8-15mm巾
In te rc on ne ct io n
B ac k El e ct ro de S cr ib e Li ne
Am or p ho us S il ic on S cr ib e Li ne
S n O2 S cr ib e Li ne
Isoration Lines
Bus Bar
St r in g s
1~1.2m
Aperture Area
Bu s B ar
1.2~1.4m
Su bs trate Edge Area
21
世界発の安定化8%以上の大面積pin単接合モジュール
1995年9月JQAで測定してマイルストーン確認
10.2%
22
薄膜Si太陽電池事業化の壁
だれも経験したことのない技術課題
✔S・W効果と性能保証?
✔屋外用のセルとモジュールの構造?
✔年間発電能力?
✔長期信頼性の保証(10年、20年)?
✔日本の住宅用太陽電池市場に市民権?
✔アーヘンモデルは独全土に拡大する?
23
大面積薄膜Siモジュールの光照射試験
4500時間(10年相当)安定を確認
910x455標準モジュールの加速光照射試験0.7kW/m2,38℃
モジュールの変換効率(%)
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
連続照射時間(Hr)
24
拡大写真
a-Si発電瓦
1989年5月から稼動している10Wx2枚/組、独立電源5系列システム
25
民生用太陽電池の銚子、宮古島暴露試験(1993年8月~)
銚子では
70%保持
宮古島では
80%保持
26
電力仕様モジュールの銚子での暴露試験経過(1997年2月~)
年間平均
80%を保持
27
兵庫県豊岡市
カネカソ-ラッテク(株)
1999年秋創業(20MW)
世界発の電力用a-Si工場
1998年10月KST.(㈱) 設立
1999年10月20MW/年規模でア
モルファス太陽電池生産開始
2001年4月 10%ハイブリッド生産
2004年度 20MWフル稼働
2006年度 30MW
2007年度 55MW
2008年度 75MW
2009年度150MW
2009年春
(75MW)
2010年6月(150MW)
28
ハイブリッド太陽電池の開発
薄膜ポリSi、a-Siとのハイブリッド太陽電池(山本、太和田)
薄膜多結晶Si太陽電池
従来の結晶Si太陽電池
3m
2µm
300
m
200μm
1
100
ガラス板
1
 の薄膜 ・ 光閉込 ・ 大面積
29
真空プラズマでダイヤモンドができることに注目→Siも薄膜結晶化
30
初期の薄膜多結晶Si
Back Reflector
poly-Si cell
最初の実用型タンデム
他社対抗品
(ターンキー型)
a-Si cell
Textured TCO
Glass Substrate
初期の薄膜ポリSi太陽電池
第3世代ハイブリッド
Sun-Light
Back Reflector
thin film poly-Si
Bottom Cell
第2世代タンデム
intermediate layer
a-Si Top Cell
Textured TCO
Glass Substrate
Sun-Light
31
Poly-Si、a-Si、ハイブリッドセルの分光感度
1.0
2000
外部量子効率
E.Q.E.
0.8
1500
0.6
1000
poly-Siセル
0.4
a-Siセル
0.2
0.0
400
600
800
Wavelength(nm)
500
1000
太陽光照射強度(W cm -2m -1)
ハイブリッドセル
0
32
ハイブリッドモジュール生産品(安定化10%)
0 .5
Current(A)
0 .4
910m m × 455m m サ イ ズ
A M 1 .5 , 2 5 d e g .
K a n e k a D u a l-lig h t
s o u r c e s im u la to r
V oc: 135V
I s c : 0 .4 8 9 A
F .F .: 0 .7 1 5
P m a x : 4 7 .1 W
e ff.: 1 2 .3 %
0 .3
0 .2
0 .1
0
0
50
100
150
V o lt a g e ( V )
33
32GW
2010年世界の太陽電池生産量、中国・台湾の大躍進
欧州市場縮小
在庫急増で
価格急落!
年末伊、独で
急回復
10年で100倍成長 中国、台湾
台頭、欧州トップ
中国トップ
高純度Si不足、高
独FIT導入
騰
メガソーラー加速
原料Si不足顕在化
(世界の60%)
34
出典 資源総合システム、PV News
住宅用に10%品投入(2001年)
35
5.6kW 発電所≪2013年8月開所)
オムロンPCS管理
SolarClinic診断
既築住宅用
36
稚内PV5MW+NAS1.5MW、関電堺PV10MW
投資額 35万円/kW
借地料 5,100万円/21ha
除草 300人工/回
トラブルはコネクターショート
1回だけ
37
世界の太陽電池メーカートップ5の動向
2008年
1位 Q-Cells
574MW
2009年
First Solar
1,572MW
4位 シャープ
473MW
1,464MW
Q-Cells
537MW
525MW
2011年
2012年
Suntech(倒産)
2,096MW
FirstSolar
1,981MW
First Solar JA Solar
595MW
5位 MOTECH Yingli
84MW
JA Solar
704MW
3位 Suntech シャープ
497.5MW
Suntech
1,011MW
2位 First Solar Suntech
504MW
2010年
1,411MW
1,690MW
Yingtli
Yingli
1,117MW
1,604MW→2,300MW
Trina Solar Trina
倒産
1,116MW
米国でも倒産が相次ぐ、EVER GREEN, Solyndra
Solar Trust, Konarka(7条)
1,512MW
中国原料S基板、セル
メーカーLDK倒産
2013年世界のセル、モジュール生産企業トップ10社
39
次の講演の内容
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の見通し
40
日本版フィールドインタリフ(全量買取法案)成立
(23年8月26日成立)
10kW以下の余剰電力
24年7月1日実施
3万kW
以下
42円/kWh、20年買取
41
42円/kWhは投資対象として魅力ある価格
42
固定買取制度の規模別認定推移
10kW以下
42円→38円→37円→35(33)円→33(31)/kWh
27年29円/kWh→27円/kWh→28年24円
潜在市場規模
70百万X15万円=10兆円
32円/kWh
¥32/kWh
36円/kWh
40円/kWh
¥36/kWh
¥40/kWh
累積の設備認定量は2015年12月末に79.3GW
出典:資源総合システム2804
43
80GWの設備認定に対し稼動済みは25.2GW(2012年12月末)
低圧累積約120万件、12GW←これが危険
約半数の12GWが
50kW以下の低圧案件
44
出典:資源総合システム
出典:資源総合システム2804
カネカ 鹿島西地区 薄膜Siメガソーラー 12.7MW
高信頼性
耐塩害性
45
鹿児島 七ツ島 70MW(京セラ)
46
日本で最大規模の瀬戸市錦海塩田跡4.9平方キロメーターに250MW
完成予想図
47
大分ソーラーパワー 80MW
48
グジャラートソーラーパーク(計605 MW)インド
49
出典:GPCLHPより 49
出典:GPCLHPより
太陽光発電システムはメンテナンスフリーか?
• 太陽電池は摺動部がないのでメンテナンスフリーとして
きたが、これはあくまで太陽電池セルのこと。
• 太陽電池モジュールはハンダで接続され、プラスチック
で保護してダイオードを組込んだ端子Boxから銅ケーブ
ルで電気を取り出す普通の電気製品である。セルの経
年劣化に加えて、ハンダ接続不良、セル割れ、BPD故
障、コネクター接触不良等の電気製品に生じる不具合
は起きる。
• PVシステムではモジュールからコネクターで接続して接
続箱、PCSに接続する。PCSについてはエアコンとほゞ
類似の電気設備であるが毎日運転という過酷な使い方
がされる。 不具合が生じることを前提に対策要 50
50
20年の保証に耐えるモジュールなのか?
海外品の中には大きなPID劣化することが判り欧州で大問題化
1
0.9
2
3
0.8
5
8
DH_M
1.05
Normalized Pmax (-)
Normalized Pmax (-)
DH_I
1
0.7
0.6
0.5
2
3
4
5
6
1
0.95
0.9
0.4
0.3
0.2
0.85
0
1000
2000
DH time (h)
3000
4000
図3.1.2.2-18 モジュールIのDH試験後のPmax変化
PID(Potential Induced Deg.)
に耐えないモジュールが多い
0
1000
2000
DH time (h)
3000
4000
図3.1.2.2-22 モジュールMのDH試験後のPmax変化
高温高湿試験(DH)でJISの1000
時間を超えると低下するモジュール
がある。
51
出典 PVEye 2012年
安定なはずの結晶Si対応電池の急激な劣化発生
PID=Potential Induced Degradation、電圧誘起劣化
52
各内外の結晶Si系モジュールのPID試験
試験法 IEC62804準拠、60℃,85%RH、96Hr
出典 増田他 太陽エネルギーVol.39No.1pp73(2013)
53
太陽電池モジュールに不具合懸念増殖中
✔日本での過去の屋外暴露モジュールで、年率1%以
内の劣化は極めて希である。モジュールだけでなく、
BS、JBox、コネクターにも不具合が見られる。
✔ 2000年以降設置の国産モジュールで数年年でBS
黄変や変色、PID劣化、Snail Trailという不具合発生。
✔性能認証 JIS C8990,8991やIEC61215, 61646の
規格で担保できない不具合の多くが配線、セルクラッ
ク、封止材料、バックシート起因。
✔競争激化で価格低下が加速、安価部材への切り替
えが進み潜在リスクが増加
✔ 信頼できるシステムと、定期メンテナンスで不具合
を見つけ出し早めに交換することで確実に20年間の収
54
入を確保することが求められる
54
本日の講演の内容(レジメ)
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の動向
55
NREL EFFICIENCY TABLE(April, 2016)
Ⅲ-Ⅴ 31%
HIT 25.6%
IBC 25.1
CdTe 22.1%
CIS 22.3%
Perovskite 22.1%
出典 NREL HPより
5656
太陽電池モジュール価格の推移(学習曲線)
結晶Si太陽電池
薄膜(CdTe)太陽電池
$1/W
$0.3/W
57
出典 ITRPV2015
太陽電池等の価格動向
58
59
結晶Si系は高効率なHIT、バックコンタク型(複雑)へ
Sun Power社25.2%
シャープ、25.1%
量産モジュール19.6%
Panasonic、元三洋電機
セル効率で25.6%
量産モジュール19%
60
Mono-Facialシリコン太陽電池でも革新が続く
Passivated Emitter & Rear Junction Cell
Trina 22.13%
61
両面受光型のPERC(n型PERT)合計で24.5%相当
三菱電機21.94%
62
Mono-Facialでもナノテクで単純化25%越え
Fraunhofer TOPcon 25%
Solar City Triex 22.04%
Kaneka Mono-Facial HJ 25.1%
63
タンデムで12.7%、3接合で13.6%を達成
64
Ⅱ-Ⅵ化合物太陽電池は単接合で最適材料(22%越え)
FirstSolar 小面積22.1%達成
生産品トップ 13.4%→13.9%
ソラーフロンティアの量産品
900MWプラント 13%
2014~2015年
14.6%
小面積22.3%達成済み
65
CdTeのイノベーション
安定化の為の酸素封止 → ダブルガラス封止
CdTe太陽電池日本上陸(日本板硝子小倉工場 1.3MW)
66
色素増感太陽電池 トップ効率11.9%
Black Dye
67
塗布型有機太陽電池 トップ効率11.1%
テトラベンゾポルフィリン前駆田
68
量子ドット革新型太陽電池 トップ効率8.6%
69
衝撃的なPerovskite太陽電池デビュー
70
Graetzel et al., Nature (2013), doi:10.1038/nature123
ペロブスカイトの構造と新型太陽電池デバイス
A:CH3NH
3
B: Pb
X: I, Cl
PbI2(DMF)
+CH3NH3I(2-Propanol)
担体Porous Nanomaterial
Graetzel:TiO2(~500℃)
Snaith:Al2O3(<150℃)
スピロフルオレンHTM
SpiroMeOTAD
KRICT 22.1%
71
71
Lausanne Graetzelのグループ
• 韓国KRICTのグループが無機(Sb2S3,Stibnite)/
有機(P3HT)の全固体太陽電池の研究をしてお
り、最近になってLausanneのGraetzelとの共同研
究でペロブスカイト系で12%を電子版Nature
Phtonicsに発表(2013年5月3日)。HTMは
polytriaryl-amine(PTAA) 21.1%が公式認定
• 2013年7月11日Lausanne単独でNature Lett.,に
TiO2にPbI2をコートした後CH3NH3IのPropanol
溶液に浸漬してペロブスカイト化、
SpiroMeOTADをHTMとしてデバイス化して
15%(NRELで14.1%認定)を得たと発表。
72
72
Oxford Snaithグループ
• 桐蔭横浜大(宮坂研)に留学していたM.M.Leeが
メソポーラスAl2O3に担持したペロブスカイト
/SpiroMeOTADで10.9%をScienceに発表(11
月2日、2012)
• Oxford Snaithの研究室がペロブスカイトコート
Al2O3/ペロブスカイト層の最適化で12.3%を
Energy&Environ. Sci.2013年6月号に発表
(pp.1739)
• 6月19日のSnaithのBlogに15.4%が掲載。
Jsc=21mA/cm2、Voc=1.07V、FF=0.67とVocが大
きいのが特徴 20.1%(NREL)
73
ペロブスカイトとa-Si太陽電池の分光感度特性
a-Si Jsc=16mA/cm2
Eg=1.75eV
Jsc=20mA/cm2
Eg=1.55eV
74
新型ペロブスカイト太陽電池の可能性
• 光吸収層、HTM層、Ag電極はコーティングで成膜できる
ので少ない初期投資で低コストが期待される。
• 従来の半導体太陽電池で電流を増やすと電圧が低下し
たのが、ペロブスカイト系は20mAでも1.1Vという高電圧
が得られている。CIS系の0.7V、a-Siの0.9V、c-Siの
0.65Vに比べて高い開放電圧。
• CH3NH3PbX3は800nmまでの光しか吸収できていない
。長波長の光を吸収する新規ペロブスカイトが見つかれ
ばさらに電流が増えて20%以上の低コスト薄膜太陽電
池が近く実現すると予測。公式記録22.1%(NREL公認)
• 信頼性が未確認であるが、大気中での劣化、耐水性、耐
酸化が課題(封止で解決可能?)。
75
酸化銅太陽電池
バッファー層GAOの開発
Naドープによる低抵抗化
99.96%Cu箔を1000℃で空気酸化
多結晶亜酸化銅Eg=2,17eV、赤褐色p型半導体
76
Naドープ
n型バッファー層
77
酸化鉄の可能性
Siよりも安価な鉄の酸化第二
鉄(赤錆、ヘマタイト)が太陽電
池になる(岡山大池田直教授
、東大田畑仁教授)
希土類ドープ酸化鉄
スピン効果で1光子から複数のキャリアー生成
78
本日の講演の内容(レジメ)
1.自己紹介
2.はじめに 人類のかかえる3Eトリレンマ
3.太陽電池の開発の歴史
4.太陽電池の種類とこれまで主役の結晶Si、
薄膜Si太陽電池、新材料太陽電池登場
5.日本版FITと太陽電池市場の変貌
6.ナノテクを駆使した新たな太陽電池デバイス
7.今後の見通し
79
COP21パリ合意(2015年12月)
温暖化ガス削減のパリ合意を受けて
2030年26%削減(2013年比)
CO2排出40%の電力の削減
運輸部門の省エネ化
建築物のZEB、ZEH化
2050年80%削減を国際公約
再生可能エネルギー主導社会
運輸部門EV化、FC化(?)
太陽光発電電力の国別生産割合、世界平均1%
伊、ギリシャ、独7%以上
日本は2.5%
81
2030年のエネルギー長期需給見通しによる電源構成
福島原発事故後の脱原発→原発ベースロード電源転換
1.5GW
10GW
~6.5GW
64GW
49GW
82
出典:エネ庁、資源総合システム
再エネ電力の系統連系回答保留(接続可能限度越え)
83
84
2030年推定PV,風力導入可能容量
出典:WWFジャパン
85
PV 252GW
風力60GW
86
太陽光発電NEDO PV Challeng(2030)
2002
2007
2010
2020
2030
~50円/kWh
発電コスト
30円/kWh
家庭用電力
料金単価同等
(第1GP)
効率向上と製造コスト
低減の両立で実現
2030年
第1グリッドパリティ
23円/kWh
第2グリッドパリティー
《電池技術》
技術の世代交代による
低コスト化の実現
長年の目標
業務用用電力
料金単価同等
(第2GP)
業務用電力
14円/kWh
モジュール変換効
率22%、利用率
15%、25年運転
出典:太陽光発電ロードマップ(NEDO PV Challenge 2030)
経済産業省「第2回評価検討会経済産業省提出資料」
(年)
火力発電コスト
同等
新材料。新構造等
革新的技術で実現
基幹電源
7円/kWh
モジュール効率25%以上、利
用率15%以上、30年運転
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ご清聴有難う御座いました
大阪大学
ナノサイエンスデザイン教育研究センター
特任教授 太和田 善久
(株式会社カネカ シニアアドバイザー)
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