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月刊OPTRONICS

月刊オプトロニクス表紙 光技術関連業界の最新情報が満載の月刊OPTRONICS。
技術者,研究者の方はもちろん,光に携わる方は是非ご購読ください!
 
2010.6 vol.29 No.342
6月号 特集 CIGS系太陽電池の最新技術動向

総論

(独)産業技術総合研究所 仁木 栄

 CIGSは正確には,Cu (In1-xGax) Se2(0≦x≦1)と表され,I 族元素の銅(Cu),III 族元素のインジウム(In),ガリウム(Ga),VI 族元素のセレン(Se)からなるI-III-VI2 系化合物半導体の1つである。光吸収層にCIGSを用いる太陽電池をCIGS太陽電池と称する(VI 族のSeを一部硫黄(S)に置き換える場合も含む)。2007年から日独で10MW以上の量産化が開始され,それ以外にも多くの企業が事業化を目指して研究開発を進めている。
 CIGSは光吸収係数が可視光領域でa〜105cm-1と大きいために厚さ2mm程度の薄膜でも十分に太陽光を吸収することが可能である。光吸収係数が大きいという特長は具体的にどのような利点があるかというと,例えば家庭用1軒分,3kWのCIGS太陽電池を作製する場合,変換効率15%を仮定すると必要となる原料(Cu,In,Ga,Seの合計)は約226g程度になる(図1参照)。一方,変換効率を同じと仮定し,結晶シリコン太陽電池の場合と比較すると,結晶シリコンでは15kg程の材料が必要となる。CIGS太陽電池が省資源型の太陽電池であることがよくわかる。CIGS太陽電池は,耐放射線性に優れるという特徴も有しており,人工衛星等の宇宙分野への応用も期待されている。・・・(続きは本誌で)

スクリーン印刷/焼結法を用いたCu(In,Ga)Se2薄膜太陽電池の作製

龍谷大学 和田 隆博

 現在,セレン化法や蒸着法を用いて日・米・欧でCIS太陽電池の製造が行われている。日本では2007年から昭和シェル石油とホンダが商業生産を行っている。昭和シェル石油は2011年までに1,000MW/年規模での生産を計画している。
 セレン化法では金属プレカーサーをスパッタ法で形成し,蒸着法ではCIGS光吸収層を各構成元素から物理蒸着する。これら真空プロセスの問題点として,(1) 製造装置の価格が高いので初期投資が大きい,(2) 基板以外の場所にも原料が堆積するので原材料の利用率が低い,等があり,一定以上の低コスト化は難しいと考えられている。
 そのため,CIS太陽電池のさらなる低コスト化を目指して,真空を用いないCIGS薄膜の製造プロセスが研究されている。非真空製造プロセスでは,(1)や(2)の課題を解決する以外に,(3) 印刷法等の単純な薄膜形成プロセスを用いるので生産性が高い等の長所もあり,次世代の超低コスト製造プロセスとして期待されている。しかし,非真空プロセスは蒸着法やセレン化法に比較して太陽電池の変換効率が低いのが問題である。蒸着法ではほぼ20%の変換効率が達成されているが,非真空プロセスでは最高の変換効率でも14%程度である。・・・(続きは本誌で)

CIS太陽電池の技術動向及び非真空プロセス

東京工業大学 山田 明

 Cu(InGa)Se2(CIGS)薄膜太陽電池は,図1に示すような構造をしている。基板としてMo電極付きの青板ガラスが用いられ,その上に蒸着法あるいはセレン化(Se化)法により厚さ1.5〜2 mm程度のCIGS薄膜を堆積する。このCIGSはp型特性を示し,光吸収層として機能する。またバンドギャップをGa量により変化させることが可能である。現状,高い変換効率が得られているCIGSのGa量は20〜30%,バンドギャップ1.15eVである。この光吸収層の上にn型層としてCdSを50nm程度堆積する。このとき,溶液成長(CBD)法と呼ばれる湿式法でナノメートル・オーダの半導体層が形成される。溶液成長時には,表面のクリーニングならびにCIGS中へのCd拡散による埋込pn接合の形成が起こるとされており,CBD 法はCIGS太陽電池の重要な高効率化技術となっている。近年では,環境負荷の高いCdSの替りにZn(S,O,OH)やInS系半導体などの新しい材料の探索が盛んである。最後に透明導電膜としてスパッタ法あるいは有機金属気相成長(MOCVD)法によりZnOを堆積,太陽電池としている。・・・(続きは本誌で)

CIGS太陽電池の基礎とバッファ層

立命館大学 峯元高志

 Cu(In, Ga)Se2(CIGS)は図1に示すようなカルコパイライト構造を持つI-III-VI2 族化合物半導体である。この構造は,閃亜鉛鉱構造を持つII-VI 族化合物のII 族元素をI 族元素とIII 族元素で規則的に置き換えたものである。CIGSは105cm-1という高い光吸収係数を有することから膜厚2μm程度で太陽光の大部分を吸収できるため,薄膜化に適している。また,Ga/(In+Ga)比によって禁制帯幅(Eg)をCuInSe2(CIS)の1.0eVからCuGaSe2の1.7eVまで制御できる。Eg制御による太陽光スペクトルへのマッチングや,Egエンジニアリング(膜厚方向へのEg分布を制御することによって再結合を極力低減させること)が可能であるため,高効率な薄膜太陽電池として期待されている。
 CISの作製と物性評価は1950年代初頭に始まった。その約20年後の1970年代初頭にベル研(米)が,単結晶CISにCdSバッファ層を蒸着させたCIS太陽電池を作製し,変換効率12%を報告した。その後,ガラス上に多結晶CISとCdSバッファ層を蒸着させたデバイスが報告され,ガラス上での薄膜太陽電池の研究が欧米や日本で本格化していった。・・・(続きは本誌で)

CIS系薄膜太陽電池の量産化技術の動向

昭和シェル石油(株) /ソーラーフロンティア(株) 櫛屋 勝巳

 次世代の薄膜太陽電池と位置付けられ,五種類の金属元系から構成されるCu(In, Ga)(S, Se)2(CIS)系薄膜太陽電池は,図1に示すように,高効率化の観点から(入射光は最上部のn型透明導電膜窓層から入る)サブストレート構造が一般的である。その基本構造は,基板上に4種類の薄膜層(金属裏面電極層,p型CIS系光吸収層,n型高抵抗バッファ層,n型透明導電膜窓層)を順次積層したpn接合である。
 CIS系薄膜太陽電池は,小面積ではNERL(National Renewable Energy Laboratory,国立再生可能エネルギー研究所)グループが変換効率(上部電極も含むトータルエリア効率で)20%を達成し,大面積では薄膜太陽電池第一世代(アモルファスSi太陽電池,CdTe太陽電池)が達成できずにいる13%を越える変換効率を達成している。CIS系薄膜太陽電池はこのことから,大面積化と装置およびデバイス構造での標準化において第一世代に遅れを取ってはいるが,新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)作成の「2030年に向けた太陽光発電ロードマップ」(PV2030+)において,結晶系Si太陽電池と同等の変換効率が達成できる太陽電池と位置付けられている。・・・(続きは本誌で)

高効率Cdフリー・フレキシブルCIGS太陽電池

青山学院大学 八木岡 剛,堀口恭平,中田時夫

 Cu (In1-xGax) Se2(CIGSと略す)太陽電池は,薄膜太陽電池の中では,最も変換効率が高く,大面積モジュールの長期安定性が実証されたことなどから,今,商業化への動きが活発化し,大きな転換期を迎えた。現在,CIGSモジュール製造企業のほとんどがガラス基板を使用しており,4KWp級住宅用パネルでは総重量は600Kgにもなる。これに対して,ガラス基板を用いないフレキシブルCIGSモジュールは軽量化が可能であり,一般住宅や曲面構造物などへの応用が期待できる。また,出力対重量比が大きく,耐放射線特性に優れていることから宇宙用としても注目される。基板材料には,チタン(Ti),ステンレス,ポリイミドなどが主に使用されており,これまでの最高変換効率は各々17.9%,17.5%,15.1%である。これらの中で,Ti箔は線熱膨張係数がCIGSに近く,高温製膜の際にFeやNiのCIGS膜中への拡散がないことから,高効率が期待できる。一方,従来のフレキシブルCIGS太陽電池はバッファ層としてCdSを使用しているが,環境負荷低減の観点からCdフリー化が望まれる。また,CdSの禁制帯幅は2.4eVであるため,短波長光の吸収損が生じ,出力電流が低下する。そこで,本研究では,禁制帯幅が3.7eVのZnS (O, OH) バッファ層をはじめてフレキシブルCIGS太陽電池に適用し,更なる高効率化をめざした。・・・(続きは本誌で)

CIGS系太陽電池における界面・粒界の電子構造評価

鹿児島大学 寺田 教男

 Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)系太陽電池は三段階蒸着法により形成した約1.2eVの禁制帯幅を持つの多結晶膜を光吸収層,ZnOを透明導電層,Chemical Bath Deposition(CBD)法によるCdSを両者の間のバッファ層とするZnO/CBD-CdS/三段階共蒸着CIGS構造を用いた小面積セルで約20%の高い変換効率が達成されている。現在,CIGS系電池の研究においては,CIGS禁制帯幅の太陽光スペクトル中心へのチューニング,希少金属であるInの使用量の低減,超高効率多接合電池の短波長用セル開発などの目的のため,禁制帯幅の広い,高Ga置換率CIGSを用いた電池の高効率化が主要なトレンドの一つになっている。CIGSの禁制帯幅を地上における太陽光の吸収に最適な約1.4eVとした場合,25%を超える高変換効率が得られる可能性があることがモデル計算から示されているが,禁制帯幅を上記の値より拡張させると変換効率が急減することが報告されている。太陽電池の短絡電流は光吸収層の禁制帯幅の拡張に伴い減少するので,高効率化のためには電流減少分を上回る開放電圧の上昇を実現することが必要となるが,CIGS系太陽電池では禁制帯幅Eg(CIGS)が1.2eV(Ga置換率x〜0.3)を越えると開放電圧が飽和傾向を示す。このため,変換効率はCIGS層の禁制帯の広い領域で急速に低下する。・・・(続きは本誌で)

連載・シリーズ

USA Today 第29回 在米日本人の集い,その想い

Optomarketing USA 中島 和宏

 米国カリフォルニア州サンタクララ,いわゆるシリコンバレーを中心に,在米日本人を主体とした新しい活動が始まった。日米ビジネス・イニシアティブ(Japan America Business Initiatives)「JABI」は,米国に向けたビジネス進出,特に,日本の中小企業や新興企業による米国進出,ビジネス開発・展開等のサポートを提供することを主な目的として設立された。様々な事業分野のコンサルタントや企業弁護士,移民弁護士,会計士や税理士,翻訳家や銀行家等からなる総合的な組織であり,非営利団体として全米展開を目指すコンソーシアムだ。
 シリコンバレーには様々なタイプの在米日本人・日系人等による活動団体があることをご存知であろうか。例えば「SVJEN」−Silicon Valley Japanese Entrepreneur Network−は,その名の通り,日系起業家や起業を目指す在米日本人らを支援しようというネットワーク。シリコンバレーの日本人起業家たちの手によって2002年に設立された。起業に役立つセミナーの開催,経験談や情報交換のための勉強会などを実施,志ある在米日本人達のネットワーク作りを支えている。・・・(続きは本誌で)

発明・特許のこぼれ話 第30回 羅針盤(コンパス)

SMK(株) 鴫原 正義

 ルネサンス期三大発明は,印刷,火薬,羅針盤といわれます。今回はその一つである羅針盤の世界を追ってみましょう。
 羅針盤は基本的に磁石の作用によって方位を知る道具であり,方位磁石やコンパスとも呼ばれますが正確には「方位磁針」といいます。また,三大発明の他の発明がそうであったように羅針盤も中国を起源とした発明とされますが,実際は謎も多く発明者も特定されていません。
 古代中国や古代ギリシアでは磁化した金属の存在を既に知っていたといわれます。中国では春秋戦国時代には既に磁石を使っていたとか,漢の時代に磁石を使ったなどの諸説ありますが,少なくとも紀元前には存在していたようです。そして,11世紀宋時代の政治家であり学者でもあった沈括(しん・かつ;1030〜1094)が書いた随筆集「夢渓筆談」の中での記述が最も古いものとされています。線状の薄い鉄板を火で熱し,南北に向けたまま水で冷やします。即ち,地磁気に沿って磁化させているのです。それを椀の中に入れた水に浮かべると南北を示すもので,指南車と呼ばれていました。実はこの指南車は,方角を重んじる“風水”の習慣から使われたもので,これによって様々な事象などを占っていたのです。・・・(続きは本誌で)

光技術者のための基礎数学 第18回 フーリエ変換( IV )

職業能力開発総合大学校 河合 滋

 フーリエ変換は,連続関数に対して定義されるが,コンピュータなどを用いて計算する場合には,離散値にする必要がある。このような離散値によるフーリエ変換を離散フーリエ変換(DFT: Discrete Fourier Transform)と呼ぶ。離散値に対するフーリエ級数を連続値に対して展開したものがフーリエ変換であるので,フーリエ変換を離散化した離散フーリエ変換は,フーリエ級数に似た性質をもつ。
(1)離散フーリエ変換
 連続関数f(t)を離散化するには,連続関数に,式(9.49)で表されるデルタ関数列を掛ければよい。したがって,離散化された関数g'(t)は,次式のようになる。・・・(続きは本誌で)

原点に戻って学ぶレーザー原論 第15回 各種レーザー(3)半導体レーザー

(独)科学技術振興機構 黒澤 宏

 半導体レーザーは,これまでお話ししてきたガスレーザーや固体レーザーに比べて,非常に小さい,比較的小さい入力で動作する,非常に効率が高いなどの特徴を持っている。さらに,他のレーザーとは全く異なる原理で反転分布が作られる。今までお話ししてきたレーザーは,いずれも単一原子からの発光を利用するものでした。では,半導体からの発光はどのような原理に基づくのでしょうか。半導体レーザーの話しをする前に,半導体そのものについて詳しく勉強しておこう。結晶におけるバンド構造,電流を運ぶキャリアとして電子と正孔の2種類があること,その電子と正孔の再結合による発光,pn接合からの発光,ホモ接合とヘテロ構造などがキーワードである。・・・(続きは本誌で)

光技術の研究開発・特許動向II/技術別に見る最新情報 第150回 色素増感太陽電池

嶋本国際特許事務所 嶋本 久寿弥太

 色素増感太陽電池は,1991年に開発されたスイス連邦工科大学のマイケル・グレッツェル教授の発明が最初だとされている。
 開発内容は,酸化チタンの粒子を色素で着色し,電解液の中にセットし,色素に光が到着すると,この色素から電子とホールが誕生し,電子は酸化チタンへと吸収されて電極から外の回路に出るようになっている。
 色素増感太陽電池の世界市場は,2008年に4MWを記録し,2010年には6MWと予測されており,光電変換効率の向上が進めば市場の拡大も期待されている。
 研究開発動向をみると,新規色素や半導体電極材料の開発をはじめ,封止技術,電解質の固体化,ゲル化などのテーマが狙いとなっている。
 色素増感太陽電池の用語検索を見ると,特許出願公開は,2008年の1年間に66社が参入し,167件の特許公開となっている。
 特許出願の企業別公開件数をランキングでみると,1位はコニカミノルタビジネステクノロジーで13件,2位はTDKで11件,3位は電源開発で10件,4位は三菱電機と日本特殊陶業の2社で,それぞれ8件となっていて,5社合計で50件となり,全体167件の29.9%となっている。・・・(続きは本誌で)

光の総合展示会「OPTRONICS WORLD 2010」,過去最高の入場者数を記録

編集部

 光エレクトロニクス技術の総合展示会「OPTRONICS WORLD 2010」が,4月21日〜23日,パシフィコ横浜にて開催された。今回は,レーザーEXPO(主催:レーザー学会),レンズ設計・製造展(主催:月刊オプトロニクス),VISION Japan(主催:月刊オプトロニクス,日本インダストリアルイメージング協会)の各技術・製品展示会に加え,文科省の光関連プロジェクトで第二回目の開催となる「光科学フォーラムサミット」や,レーザー学会主催の「レーザー50周年特別講演」など,関連イベントも多く執り行なわれた。
 さらに,国際会議「7th International Conference on Optics-photonics Design&Fabrication」(ODF)が同時開催となり,国内外からトップクラスの光研究者が来場するなど,光に関する人材,製品,情報,サービスが一堂に会するイベントとして,その存在を確かなものにした。・・・(続きは本誌で)

注目されるFPD製造装置市場(レーザアニール,露光,レーザリペア)の行方

編集部

 「FPD製造装置市場の回復は2010年後半からになる」―これは日本半導体製造装置協会がこの1月に発表した需要予測によるものだ。同協会によれば,日本製FPD製造装置市場について,2009年度は世界経済の減速による投資抑制が響き,対前年比50.3%減の2,500億円になる見込みとしている。しかし,2010年度からは一転して成長局面に転じ,対前年比40.0%増の3,500億円,2011年度は同15.0%増の4,025億円になると予測している(図1)。
 FPD製造装置にはレーザなど光技術を応用したものが多く,それぞれ独自の市場を形成している。例えば,TFTアレイ製造用装置には露光装置(カラーフィルタ(CF)製造用としても採用される)やレーザアニーリング装置が,検査用装置ではレーザリペア・トリミング装置などが含まれている。いずれもFPDを製造する上で欠くことのできない重要なプロセス装置だ。・・・(続きは本誌で)

半導体露光装置需要増に期待!2010年は設備投資が活発に

編集部

 薄型テレビや高機能携帯電話,パソコンの需要増に支えられ,半導体市況が急速に回復している。一時期抑えられていた半導体工場稼働率もここにきて上昇,フル稼働に戻っている。こうした中,半導体製造装置メーカが注視しているのが,半導体メーカ各社の設備投資に対する動きだ。
 米国調査会社Gartnerによれば,2010年の世界の半導体製造設備投資額は2009年の167億ドルから76.1%増の294億ドルになると予測している(表1)。同社では2010-2011年の設備投資動向について,2010年上半期はメモリやファウンドリ分野における新たな微細化プロセス向けに投資が活発化,下半期はやや減速するものの,2011年には生産能力の拡大によって投資意欲が再び上向くと見ている。
 半導体メーカに見る2010年の投資計画については,米国調査会社IC Insightsの調査結果によると,上位10社(表2)のうち,韓国・Samsung Electronicsが50億ドル,米国・Intelが49億ドル,台湾・Taiwan Semiconductor Manufacturing(TSMC)が48億ドル,東芝が19億5,000万ドルと予測している。・・・(続きは本誌で)

NEWS FLASH

DATA ROOM

▼発光ダイオード輸出数量,4ヶ月連続のプラス
▼光製品生産量,20光製品のうち15品目が前年同月実績を上回る
▼民生用電子機器国内出荷金額,対前年同月比152.9%の3,690億円

CALENDAR

EVENTS

▼日本写真学会第7回光機能性材料セミナー「新しい光励起系の科学:次世代デバイスへの期待」
▼応用物理学会第41回研究会「テラヘルツで見る,計る,伝える-テラヘルツ応用の最前線と超伝導」
▼偏光計測・制御技術研究グループ設立記念シンポジウム「偏光-その計測と制御の最前線」
▼第116回微小光学研究会・第6回レーザーディスプレイ技術研究会「高臨場感ディスプレイの動向」

PRODUCTS INFORMATION

今月のコメント

 太陽電池にはシリコンや化合物半導体を用いたもの、さらには有機材料を用いたものなど、様々な種類が存在します。その中でCIGS系太陽電池は低コスト・高性能を両立できる太陽電池として注目を集め、既に商品化もされ、さらなる高性能化を目指す研究開発が内外で活発に行なわれています。今月号の特集ではこのCIGS系太陽電池にスポットライトをあててみました。企画していただいたのは、産業技術総合研究所・太陽光発電研究センターの仁木栄・副センター長です。ご執筆者の皆様、お忙しい中を有り難うございました。
 特集の中でも触れられているように、CIGS系太陽電池の変換効率は研究室レベルの小面積セルで20%を達成しています。一方、市販製品レベルの集積型モジュールでは10〜12%程度に留まっているのが現状です。新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の作成した「2030年に向けた太陽光発電ロードマップ(PV2030+)」では、CIGS系太陽電池の2030年時点での変換効率目標を小面積セルで25%、モジュールで22%としています。その実現のためには、小面積セルと集積型モジュールの双方において革新的な効率化技術の開発が必要であり、特長である高い変換効率を活かした量産プロセスの確立が求められています。特集では、その最新状況を紹介していただきました。
 地球環境を守る低酸素社会実現のためと、世界中で太陽光発電システムの導入が進められています。そこから生まれる巨大な利益を求め、数多くのメーカが市場獲得に凌ぎを削っています。今後はサムソンやLGといった韓国勢に加え、台湾のTSMCやAUOなども市場参入して来て、競争はますます激しさを増すでしょう。一方、フィード・イン・タリフによって急速に導入が進んだ国でも、中国製などの安い海外製品によって市場が奪われ、必ずしも制度が自国メーカの利益になっていないという指摘があります。我が国でもその点、要・注意というところでしょう。

 5月号の「DATA ROOM」でもお知らせしたように、総務省が発表した我が国のブロードバンド回線加入者数調査によると、2009年度の第3四半期(12月末時点)は、対前四半期比でFTTHが4.1%増、67万6,274加入増え、合計で1,719万5,696加入となりました。全ブロードバンド回線加入者数である3,170万9,084加入に占める割合は、約52.7%から約54.2%に増えました。
 1四半期分で4.1%増えたということで、このままの伸び率で行くとして単純計算で2,000万加入を超えるのは1年ぐらい先になるのでしょうが、4.1%という伸び率が次第に低くなって行くことも考えられます。スピードアップを望みたいところですが、やはり何か魅力的な新しいアプリケーションが欲しいですね。
 一方で「光の道構想」によって一挙にブロードバンド普及率100%を達成するという威勢の良い話も聞こえて来ます。学べば学ぶほどその重要性が分かったなんて後から言っても遅いのですから、最前線で世界と戦っている通信分野における研究開発競争力の今後がどうなるかまでを考え、真の意味での国益になる政策を考えて欲しいものです。

編集長 川尻 多加志

■次号(7月号)の特集予定

「進展する光応用バイオMEMSデバイス(仮)」(敬称略)

▼総論: 九州大学 澤田廉士
▼光を用いた拘束微小領域流体制御−バイオ・MicroTAS分野への光応用−: 早稲田大学 庄子習一
▼高アスペクト比バイオデバイス: 兵庫県立大学 内海裕一
▼低侵襲検査,治療に役立つ光MEMSデバイス: 東北大学 芳賀洋一
▼MEMS血流センサ: 九州大学 澤田廉士
▼光ナノバイオ: NUS Vincent C.Lee
▼MEMS技術で作製したOCT: santec(株) 諫本圭史

(都合により,内容に変更のある場合があります。)

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