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「成膜のコストを10分の1に」 GaAs太陽電池の普及へ、低コストな製造法を開発

6/16(金) 7:10配信

スマートジャパン

製造コストが高いガリウムヒ素太陽電池

 波長の異なる太陽光を有効利用できるように、吸収できる光の波長域が異なる複数の太陽電池を積層させた多接合太陽電池の開発が進んでいる。現在主流のシリコン(Si)などの単接合太陽電池の発電効率は、理論限界に近づいているためだ。

【反応炉内の概略図】

 多接合太陽電池の中でも、特にガリウムヒ素(GaAs)太陽電池は発電効率が優れていることから、多接合太陽電池のトップセルやミドルセル*)としての利用が期待されている。しかし、有機金属気相成長(MOVPE)装置を用いた従来の製造方法では、高価な有機金属を用いるため、製造コストを低減する技術が求められていたという。

*)トップセル、ミドルセル:3接合太陽電池の場合、最表面側に置かれている太陽電池をトップセル、中央の太陽電池をミドルセル、最も基板側に置かれるものをボトムセルと呼ぶ。トップセルにはバンドギャップが最も大きい半導体を使用し、それより短波長の光を吸収して長波長の光を透過させる。ボトムセルはバンドギャップが最も小さい半導体を使用し、トップセル、ミドルセルを透過した光を吸収する。

 産業技術総合研究所(産総研) 太陽光発電研究センターは2017年6月、大陽日酸と東京農工大学とGaAs太陽電池を低コスト、高スループットで製造できるハイドライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)装置を開発したと発表した。

 産総研によると、HVPE装置は安価な純金属を原料に用いて成膜コストを低減でき、成膜スピードもMOVPE装置の10倍以上を実現できることから注目を集めている。しかし、成膜の高速性とナノメートルオーダーの制御性、均一性はトレードオフ関係にあり、太陽電池製造用のHVPE装置の商用機は開発されていないのが現状だ。

 また米国再生可能エネルギー研究所(NREL)が、太陽電池製造用途の縦型炉を試作しているが、縦型炉は商用機の実現に必要な成膜面積の大型化、大口径化が課題とする。

 産総研 太陽光発電研究センターは、2015年度からGaAs太陽電池の低コスト化に向けた研究開発を行っている。大陽日酸と東京農工大学は窒化ガリウム(GaN)バルク基板の製造用途として、水平置き縦型HVPE装置の開発を進めてきた。そこで3者は、GaAs太陽電池を製造する商用機開発を目指した水平置き縦型HVPE装置の開発に取り組んだ。

1時間当たり30μm以上の高速成長を実現

 開発した反応炉は、ガリウム(Ga)やインジウム(In)の原料金属を入れたボートが設置されている原料部と、GaAs基板が設置される基板部から構成された非真空でシンプルな装置構成である。MOVPE装置と比較して、装置導入コストの低減が可能になるという。

 原料部と基板部は独立した電気炉ヒーターによって、それぞれ850℃と710℃に加熱されている。HVPE装置は塩化水素(HCl)ガスを用いるので、反応炉や原料ノズル、原料ボートは腐食耐性に優れた石英で作製。GaAs太陽電池は、GaAsやインジウムガリウムリン(InGaP)層を含んだ多層構造で構成されている。

 成膜に必要な塩化ガリウム(GaCl)や塩化インジウム(InCl)は、ノズルから供給されるHClガスとボート内の原料金属が反応して生成される。外周ノズルからはアルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)、n型、p型を制御するドーピング原料の硫化水素(H2S)、ジメチル亜鉛(DMZn)などを供給する。これらの原料ガスは同じラインから供給される水素(H2)キャリアによって混合、均一化されながらGaAs基板に輸送して成膜。HClガスと原料金属が効率よく反応できるよう石英ボートを設計し、一般的なMOVPE装置では困難だった1時間当たり30μm以上の高速成長を実現できたとしている。

NRELが作製したものと同等の効率20.3%

 HVPE装置はH2キャリアで原料ガスが輸送されるため、H2キャリアと原料の混合ガスが基板部に到達するまでに1~2分かかる。ガス種の切り替えだけでは、膜の種類を瞬時に切り替えできず、多層構造を安定して高速成膜するには構造的な工夫が必要だ。

 今回連続して瞬時に膜の種類を切り替えることができるよう、GaAsを成膜するための成膜室A、InGaPを成膜するための成膜室B、AsH3、PH3雰囲気中で熱クリーニングを行うための待機室Cの3室マルチチャンバー方式を採用。ガスの広がりなどによって各室間で原料ガスが相互に汚染しあって膜の品質が劣化することを防ぐため、原料ガスがノズルから基板に到達するまでに広がらないようにノズル形状を改良している。マルチチャンバー化によって、あらかじめ成膜用のガス種の異なる成膜室を用意し、成膜室を適切なタイミングで切り替えて、明確な界面を有する多層構造の成膜を実現したという。

 開発したHVPE装置を用いて成膜したGaAs太陽電池の特性を調べたところ、短絡電流密度26.4mA/cm2、開放電圧0.93V、曲線因子83.0%、発電効率20.3%が得られた。NRELの縦型炉を用いて作製したGaAs太陽電池と同等の効率(20.6%)である。

4インチ以上への大口径化も可能へ

 水平置き縦型炉は一般的な縦型炉と比較して、ガス流が反応炉の設計や原料ガスの比重に大きく影響を受けるため、原料ガスを均一に基板に供給することが難しい。基板の大型化、大口径化に資する高い均一性を維持することが重要となる。

 3者は均一性を高めるための技術として、原料ガスが均一に基板に供給されるよう原料ノズルを改良し、基板回転機構を導入した。この装置を用いて2インチGaAs基板上に作製された5μm厚のGaAs薄膜の膜厚分布を調べた結果、従来技術の面内均一性は30.1%だったが、装置改良で2.5%向上。均一性の良いGaAs太陽電池を製造するのに十分な性能を実現しことで、産業用に使用されている4インチ以上への大口径化が可能とする。

 これらの技術は、高効率なGaAs太陽電池を高速成膜で均一性良く製造する水平置き縦型HVPE装置の商用機への展開が可能で、製造コストの大幅な低減が期待できる。産総研の担当者は、スマートジャパン編集部の取材に対して「従来のMOVPE装置と比較して、成膜に必要なコストを約10分の1にできると試算している」と語る。

 今後は生産性向上のため、1時間当たり100μm以上に高速化させた成膜速度で4インチ以上に大口径基板上に均一性良く太陽電池を成膜する技術に展開。また産総研が保有するスマートスタック*)技術による接合を利用し、HVPE装置で製造したGaAs太陽電池とSi太陽電池を組み合わせた、低コストで高効率な多接合太陽電池の実現を目指すという。

*)スマートスタック:複数の太陽電池セルの接合界面にパラジウム(Pd)ナノ粒子を配列させ、電気的・光学的にほぼ損失なく接合する技術。接合界面にPdナノ粒子が介在する同技術は、表面は必ずしも原子的に平たんである必要がなくなり、III-V族化合物同士だけでなく、III-V族/Si、III-V族/CIGSの接合が可能になることが特長という。