全3931文字
PR

 米Pennsylvania State University(ペンシルベニア州立大学)や同University of Delaware(デラウェア大学)の研究者は、銅(Cu)、インジウム(In)、ガリウム(Ga)、硫黄(S)、セレン(Se)などから成るCIGS(Cu-In-Ga-S/Se)系でこれまでにない斬新な構造の太陽電池を共同で提案した。2019年の数値シミュレーションでは、CIGS系太陽電池単独で変換効率27.7%1)。2020年にはInやGaの代わりに亜鉛(Zn)やスズ(Sn)を使うCZTSSe(Cu-Zn-Sn(Tin)-S/Se)系との“タンデム構造”にすることで、変換効率34.45%が得られたという2)。実際のセルでこれを再現できれば、既存の超高効率太陽電池であるガリウムヒ素(GaAs)系多接合太陽電池に匹敵する変換効率を約300分の1の価格で実現でき、太陽光発電の発電コストを大幅に下げられる可能性がある。

23%で効率向上が頭打ちに

 CIGS系太陽電池は2010年代前半に変換効率の値が大きく向上し、2014年には22%台のセルが開発された。その勢いが続けば2010年後半にも、20%台後半の変換効率の実現が可能と考えられていた。しかし、実際には2015年以降、変換効率向上が伸び悩み、単接合型では23.4%で頭打ちになっている(図1)。他のタイプの太陽電池、具体的にはペロブスカイト系や有機薄膜太陽電池の変換効率が最近大きく伸びている中、CIGS系やCZTSSe系の停滞ぶりは目立つ。

図1 CIGS系太陽電池が“眠り”から覚めた?
図1 CIGS系太陽電池が“眠り”から覚めた?
米国国立再生可能エネルギー研究所(NREL)などが認定した各種太陽電池の変換効率の推移と、その中でのCIGS系太陽電池の位置付け。CIGS系太陽電池はこの数年22~23%の壁を越えられなかった。今回の数値計算による34.45%は高額なGaAs系多接合太陽電池に対抗できるほど高い。(図:NRELの資料に本誌が加筆)
[画像のクリックで拡大表示]

 こうした中、Pennsylvania State University 教授のAkhlesh Lakhtakia(アカレシュ・ラクタキア)氏らは2019年、変換効率で27.7%を実現可能とする、単接合CIGS系太陽電池の構造を提案した(図2)。特徴は、p型半導体であるCIGS材料の組成を太陽電池セルの厚み方向で連続的に変化させ、バンドギャップの数値を複雑に制御している点だ。

図2 ヒダ状バンドギャップで変換効率が飛躍的に向上へ
図2 ヒダ状バンドギャップで変換効率が飛躍的に向上へ
GaAs系多接合太陽電池はバンドギャップが異なるp-n接合を積層する方式(a)。CIGS系太陽電池で単接合ながら、バンドギャップを連続的に変化させることで、多接合セルのような効果を狙ったものの、変換効率は期待ほどには高まらなかった(b)。Pennsylvania State Universityの研究者は、CIGS層のバンドギャップに“ヒダ状”の高低を付けることで、数値シミュレーション上は非常に高い変換効率を実現した(c)。(図:(b~c)は論文1)を基に日経エレクトロニクスが作成)
[画像のクリックで拡大表示]
バンドギャップ=半導体の電気的ポテンシャルに現れる、キャリア(自由電子や正孔)が安定的に存在できない領域(禁則帯)の電位幅Eg。光を照射して起電力を生む光電効果の最大起電力となる。金属ではEg=0 eVである。

多接合太陽電池のまねは失敗

 CIGS系材料はCu、In、Ga、S、Seという5種類の材料の組成を変えることでバンドギャップの値を約0.9~2eVの範囲で変えられることが知られている。こうした性質を利用すれば、1つの太陽電池セルの中で複数のバンドギャップを備えたGaAs系多接合太陽電池のような超高効率を実現できるのではないかと考えられてきた。しかし、実際にはそうした試みでも変換効率は大きくは伸びなかった。

 GaAs系多接合太陽電池はバンドギャップの材料ごとにp-n接合を作り、それを複数重ねているのに対し、CIGS系では単接合のまま、p型半導体のCIGS層のバンドギャップに厚み方向で勾配を持たせる(図2(b))。この違いが、キャリアの流れを悪くし、せっかく発生した電子と正孔がうまく正極と負極に分かれずに、その多くが正極(裏面のモリブデン層)付近で再結合して熱として失われてしまうためと考えられている。