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新聞より薄い「曲がる」太陽電池、インクジェット印刷で実現

スマートジャパン 10/11(火) 7:10配信

 福島大学は2016年10月5日、新聞紙より薄い厚さ53ミクロン(0.053ミリメートル)の結晶シリコン太陽電池の開発に成功したと発表した。薄くすることで軽量かつ安価になるだけでなく、建築物や携帯機器、自動車など幅広い対象に適用できるフレキシブルな太陽電池として期待できるという。

 現在太陽光発電に最も使われている結晶系のシリコン太陽電池では、通常200ミクロン(0.2ミリメートル)程度の厚さの固いシリコン基板が用いられている。これを薄くすれば、材料の節約によって安く軽くすることができ、さらに数十ミクロン以下の厚さになれば、曲げることができるようになる。

 今回研究グループが開発した太陽電池はこうした薄型であるだけでなく、太陽光の受光面に電気を取り出す電極を配置しない裏面電極型(バックコンタクト)だ。裏面電極型の太陽電池は、光から電力へのパワー変換効率や意匠性が高く、配線が容易という特長があり、開発するメーカーも増えている。

 しかしこの電極の形成には高い精度が求められる。そのため、一般的に半導体の作製と同じフォトリソグラフィという方法が用いられており、装置が高価になる。さらに薄い基板の場合は、作製中に加わる力によって割れてしまうという問題もあり、シリコン基板を厚い支持基板に貼り付け、強化する必要があった。

 これに対し研究グループは家庭用プリンターと同じ原理で、対象物に余計な力を加えないインクジェット印刷技術を用いた製造方法の開発に取り組んだ。これにより厚さ53ミクロンと新聞紙より薄い太陽電池を、支持基板なしの自立した状態で作製することに成功した。

今後の改良点は変換効率

 研究グループが用いたインクジェット印刷は、一般に普及しているプリンターと全く同じ原理で動作し、非接触で試料に機械的ストレスを与えずにパターンが形成できる他、設備コストも非常に安価であるというメリットがある。

 今回作成した太陽電池の作製工程ではエッチング(腐食処理)用マスクパターンの形成にインクジェット印刷を合計3回使用した。インクには耐エッチング性を持つ市販のフォトレジストを用い、溶媒や濃度を調整し、吐出条件や温度をシリコン基板上の印刷に最適化することで±50ミクロンの印刷精度を実現。これによりフォトリソグラフィと同等の太陽電池特性を得ることができたという。厚さ53ミクロンのフレキシブルな裏面電極型ヘテロ接合シリコン太陽電池を、支持基板なしで作製できた世界初の成果だとしている。

 一方、課題となるのは変換効率だ。現時点の変換効率は10.7%程度である。しかし研究グループでは厚型の裏面電極型ヘテロ接合シリコン太陽電池で達成されている効率から推定して、厚さ50ミクロンでも20%程度の効率は達成可能であると見込んでいるとしている。このような高効率で薄型フレキシブルな太陽電池を材料として実績のある結晶シリコンで実現できれば、曲面形状を持つ建築物や携帯機器、ウェアラブルデバイスや自動車の屋根など、大型の太陽光発電用とは異なる幅広い分野への応用も期待できる。研究グループでは今後も変換効率の向上に取り組む予定だ。

 なお、裏面電極型の太陽電池では、近年複数の日本企業が研究成果を挙げている。結晶シリコンとアモルファスシリコンのヘテロ接合を用いた裏面電極型ヘテロ接合シリコン太陽電池で、2014年にパナソニックが25.6%、2016年にはカネカが26.3%というシリコンベースの太陽電池の変換効率としてはそれぞれ当時の世界記録を達成している。

最終更新:10/11(火) 7:10

スマートジャパン