（6）結晶Si、26％の壁を突破

　結晶Si太陽電池は、ヘテロ接合およびバックコンタクト構造（IBC）を組み合わせたHBCセルで変換効率の改善が進んでいる。ヘテロ接合では、パナソニックがR＆Dで24.7％（ウエハー厚98μm）、量産セルで22.5％の効率を達成している。また、HBCセルで25.6％（セル面積143cm²、150μm）、HBCモジュール（72セル）で変換効率23.8％を実現している。

　さらに、16年9月には、カネカがHBCセルで26.33％を達成したことを発表した。カネカはNEDOプロジェクト「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発」の一環として、HBCセルの開発に取り組んでいる。今回、180cm²のセル面積で変換効率26.33％を達成した。セル変換効率で26％を超えたのは世界で初めてだ。
　今後、20 年の発電コスト目標である14円/kWhと30年の目標である7円/kWhの実現に向け、高効率＆低コスト化技術の開発に取り組むが、今回の成果を活用した高効率結晶Si太陽電池の製品化も計画している。


　HBCセルは、Torina Solarも23.6％を報告しており、SunPowerはIBCセルで25.2％（153cm²、130μm厚）を実現している。今後、結晶Siの高効率化技術はPERC、PERT、PERL、ヘテロ接合、IBCが増えてくると予測されているが、23年ごろから、結晶Siと他の太陽電池を積層したSiタンデムも登場すると期待されている。

（7）ペロブスカイト、17年に商業化

　次世代のPVとしてペロブスカイト太陽電池（PSC）の開発が活発化している。メチルアンモニウム鉛ハライド系ペロブスカイト（CH3NH3PbI3）はバンドギャップが1.55～1.6eV（800nmまでのほとんどの可視光を吸収）で、高い光吸収係数、高い解放電圧、塗布＆低温成膜、長いキャリア拡散長、安価な製造コストといった多くの特徴がある。電圧ロスが少ないため、理論限界に近い1.1V以上の電圧を取り出すことができる。

　KRICT/UNISTが22.1％（0.046cm²）の最高効率を実現しているが、1cm²では、NIMSが18.2％、EPFLが19.6％を達成している。実用化に向けたモジュール開発も進んでおり、imecが16cm²の集積型ミニモジュールで12.5％、Sollianceが156cm²のモジュール（24セル）で効率10％を実現している。

　急速に変換効率の改善が進むPSCだが、将来的には結晶Siなどと組み合わせたタンデム型でさらなる高効率化が期待されている。スイスのNeuchatel、EPFLなどのグループがペロブスカイト／Siタンデムで、4端子で24.4％、2端子で19.2％を実現している。東京都市大学は、波長スプリッティングと低倍率集光の組み合わせたシステムを提案しており、InGaP／結晶Siのタンデムセルで効率28.6％、11倍集光で31.8％を実現している。

　imec、ZSW、KITの研究グループは、PSCとCIGSのタンデム型集積モジュール（3.67cm²）で変換効率17.8％を達成した。半透明のPSCで短波長を吸収し、CIGSで赤外光などの長波長を吸収する。PSCのセル変換効率は15.3％、CIGSのセル変換効率は15.7％だが、タンデム化することで、個々のセルの変換効率を上回ることができた。

　UCバークレーおよびローレンス・バークレー国立研究所の研究グループは、吸収波長域の異なる2種類の発電層を組み合わせた新構造のPSCで21％超の変換効率を実現した。スズ系ペロブスカイト層（CH3NH3SnI3）と鉛系ペロブスカイト層（CH3NH3PbI3Br）の2つの発電層を積層したグレーデッド・バンドギャップ構造（傾斜構造）を有している。なお、発電層の間には窒化ホウ素の単原子膜を挿入しており、発電層同士の接触による素子劣化を抑制している。スズ系のバンドギャップは1eV、鉛系のバンドギャップは2eVで、2層を組み合わせることで、620～1240nmの幅広い波長を吸収することができる。
　試作したPSCの安定効率は18.4％、最高効率は21.7％だが、ピーク効率では26％を実現している。

　ニューサウスウェールズ大学（UNSW）の研究グループはPSCの大型セルを開発している。16cm²の大型セルで変換効率12.1％を達成しており、このサイズのセルとしては世界最高効率になるという。また、1.2cm²のセル効率は18％で、16cm²のセルを4枚組み合わせたミニモジュールでも効率11.5％を達成している。
　研究グループでは、17年中にセル効率24％を実現する予定だが、最終的には26％のセル効率を目指している。

　日本勢も産官学の強みを活かす協調型コンソーシアムでPSCの開発に取り組んでいる。同コンソーシアムには東京大、パナソニック、東芝、積水化学工業、アイシン精機、富士フイルム、早稲田大学、NIMSなどが参画し、透明基板、軽量フィルム、ブロッキング層、スカッフホールド層、p型半導体、ペロブスカイト層の開発に取り組んでいる。
　最終目標はモジュール変換効率20％で、30年までにモジュール製造コスト15円/Wを実現する新コンセプト製造装置を開発する。

　同コンソーシアムでは、パナソニックがCs添加のPSCで変換効率20％を達成しており、東芝はプレーナー型＆逆構造のペロブスカイト層を1ステップで塗布成膜する技術を開発した。窒素ガスブローで平坦性が向上し、層間ボイドも減少したことから、1cm²のガラスセルで変換効率14.2％を達成した。ちなみに、パナソニックはSollianceにも参加しており、フレキシブルPSCの開発に取り組んでいる。

　商業化に向けた動きも加速している。Oxford PVはシリーズCと呼ばれる投資スキームに基づき、既存株主および新規の投資家から合計2130万ポンドの資金を獲得したが、その資金を元に、ドイツのブランデンブルク州にある、Bosch Solar CISTechの工場跡地を取得し、PSCのパイロット生産を開始すると発表している。生産するPSCは、ボトムセルにn型結晶Si、トップセルにPSCを積層したタンデム型で、早ければ17年早々にもフル生産を開始する。
　また、同社は大手PVメーカーと共同開発契約（JDA）を締結しており、パートナーと共同でPSCの量産技術の開発を加速する。

（8）透明PVの研究加速

　PVの新たな用途として、透明太陽電池（透明PV）が注目されている。透明PVは可視光の一部、もしくは全可視光を透過するため変換効率は低下するが、窓ガラスやスマートフォンなど、結晶Siとは異なる用途が期待されている。

　透明PVは当初、透明導電性酸化物などの無機系が先行して開発が始まった。例えば、酸化亜鉛や酸化スズなどのn型の透明半導体と銅アルミ酸化物、銅ガリウム酸化物、銅インジウム酸化物といったp型の透明半導体を組み合わせてpn接合を形成すれば透明PVができる。

　AISTが酸化亜鉛＆銅アルミ酸化物、NIMSが窒化ホウ素薄膜を使ったBN/Siへテロ太陽電池の試作にそれぞれ成功しているが、近年は、有機系の開発が活発化している。発電層の膜厚がナノオーダーの有機薄膜型（OPV）や、酸化チタンのナノ多孔膜と電解液を使う色素増感型（DSC）は構造上、透明PVを作りやすい。

　米国では、UCLAが近赤外に多くの吸収を持つ高分子材料を使用することで、透明性と発電性能を両立した透明PVを開発した。表面電極に銀ナノワイヤーと酸化チタンナノ粒子の複合材料を採用することで、光の吸収損失を低減しつつ、集電性能を向上しており、70％の透過率で4％の変換効率を実現している。
　ミシガン州立大（MSU）も全可視光を透過する低分子の有機材料を用いた透明PVを開発した。光電変換に用いる波長領域は紫外光と赤外光のため、変換効率は1％前後だが、材料やプロセスの最適化で5％は狙えるという。

　日本勢も有機系材料を用いた透明PVの開発に取り組んでいる。東芝は、ドナー-アクセプター型ポリマーとPC70BMを組み合わせた逆構造型OPV（1cm角で効率12％）を開発しているが、有機発電層の膜厚を薄くすることで、光の透過性を高めたシースルー型OPVも試作している。

　住友化学も高い光線透過率と発電性能を両立したシースルー型OPVを開発している。チオフェン系p型ポリマーとフレロピロリジン誘導体を組み合わせたバルクへテロ構造で、独自合成のローバンドギャップポリマーの吸収波長端は900nm以上で、高い透過性がある。これまでにシングルセルで変換効率10％以上を達成している。

　三菱化学は、塗布変換型半導体材料のベンゾポルフィリン（BP）を活用したOPV（変換効率11.7％）の開発に取り組んでいるが、NEDOプロジェクトの一環で、透過性の高いOPVを用いた「発電するサンシェード」の実証試験を行っている。

　東京大、高エネルギー加速器研究機構、東京工業大の研究グループは、2種類の異なる酸化物を接合させたヘテロ界面（SrRuO3/SrTiO3）において、光起電力を人工的に制御できることを発見した。可視光を透過し、紫外線を吸収して発電する透明PVへの応用が期待されている。

　神奈川大もn型の無機半導体層とp型の導電性高分子層を積層したヘテロ構造の透明PVを開発した。無機半導体層はGaN、SiC、ZnO、InGaZnOなど、導電性高分子層はポリアニリン、PEDOT：PSSなどを候補に挙げているが、GaN/ポリアニリンを用いた素子で光線透過率90％弱、変換効率5％を達成している。

　商業化に向けた動きも活発化している。ドイツのHeliatekは、分子量の低い重合体であるオリゴマーを用いたタンデム型OPVで変換効率12％を達成しているが、透過率40％の透明PVでも変換効率7.2％を達成している。最近では8000万ユーロの資金を新たに調達したことから、17年末をめどに新たなロール・ツー・ロールプロセスの製造ライン（生産能力100万m²）を設置する予定という。

　inQsは人工水晶を原料に用いた完全無色透明型と極低照度発電型の2種類のPV製造に世界で初めて成功した。完全無色透明型は、エネルギーの完全自給自足を目指すオフィスビル、住宅、工場の窓、壁、天井、自動車への採用が検討されている。最近では、伊藤忠商事、三菱UFJ信託銀行が同社に出資するなど、事業化を後押ししている。

（9）車載PVのすゝめ

　排ガス規制の強化を背景に、自動車の電動化が加速している。発進や低速走行時に動力の一部をアシストするハイブリッド（HV）技術は日本のお家芸だが、今後はプラグインハイブリッド（PHV）、さらには電気自動車（EV）、燃料電池車（FCV）の開発が不可欠となる。いずれにしても、電気モーターで駆動力を発生させる以上、電気エネルギーは多ければ多いほど良い。

　PHV、EVの航続距離拡大を目指して、車載PVの開発が進んでいる。トヨタも開発中の新型プリウスPHVにPVを搭載することを発表している。同社は10年以上前から車載用PVの開発に取り組んでおり、09年5月に発売したプリウスにオプションとして、「ソーラーベンチレーションシステム」を採用した経緯がある。搭載したPV（京セラ製多結晶Si）の出力は65Wで、PVで発電した電力は駐車時の車内温度上昇を抑える空調機器の運転に使われた。

　新型プリウスPHVでは、車体の屋根に搭載したPV（ソーラールーフ）で発電した電力は、駆動用バッテリーおよび12Vバッテリーに供給する。PVはパナソニック製HIT（28セルモジュールを2枚）を搭載しており、最大出力は180Wを誇る。前モデルのPVモジュールは出力が60Wだったが、設置面積の拡大、高出力モジュールの採用で、出力が3倍に拡大した。

　発電した電力はソーラーECUを経由して、ソーラーバッテリーに充電する。走行中はソーラー発電により12Vバッテリーの消費を低減できる。一方、駐車中はソーラーバッテリーから駆動用バッテリーに充電し、駆動用電源の一部に活用する。PVを搭載することで、マンションなど充電設備がない家庭でもPHVに電力を供給できる、といった利点がある。PV電力だけで3km前後の走行が可能と試算している。

　海外勢も自動車へのPV搭載に積極的だ。Fordは14年にSunPower製高効率PVと集光レンズを組み合わせたPVシステムを搭載したPHVのコンセプトカーを発表している。電池容量は8kWhで、EV走行距離は34kmだが、これでも、標準的な米国人の走行パターンの75％をPV電力だけでカバーできるという。

　ドイツのSono MototsはPVを車体前面に貼り付けたEVを開発中だ。屋根だけでなく、ボンネット、さらには車体側面やリアにもPVを配置しており、総面積は7.5m²に達する。搭載するPVは単結晶Siで、表面を8mm厚のポリカーボネートでカバーしている。PV電力で1日に30kmの走行が可能という。現在プロトタイプを作製中で、市場投入に向けて、資金協力が可能な事業パートナーを募集中だ。

　PVで1日30kmの走行が実現できれば、年間のガソリン消費量は大幅に削減することができる。一般的なユーザーであれば、年間給油回数が2回で済むというシミュレーションも出ている。一方で、実用的なPV走行を実現するには、搭載するPVの出力は1kW程度が望ましい。自動車という限られた面積に大容量のPVを搭載するには、変換効率30％超の高効率PVが必要になるだろう。

（10）新構造・新コンセプトが続々登場

　現在主流の結晶Siは、セル効率が26％を超えており、W単価も多結晶Siモジュールで0.4ドル前後まで下落している。一方で、さらなるコストの低減を目指して、新構造・新コンセプトの提案が増えている。

　Fraunhofer ISEは、ヘテロ接合のアモルファスSi（a-Si）代替として、TOPCon（Tunnel Oxide Passivated Contact）を提案している。TOPConは、Siウエハー（n型）に1nm程度の極薄酸化膜（SiOx）を形成し、その上にドーピングa-SiをPECVDで堆積し、800～900℃のアニール処理でa-Siを結晶化することで作製する。これまでに25.13％の変換効率を実現している。一般的なヘテロ接合に対し、SiOxをパッシベーション膜として使用するTOPConは高温プロセスが可能といった利点がある。また、スイスのcsemもp型a-SiをMoOxに置き換えたMetal-oxide Siヘテロを提案しており、変換効率22.5％を達成している。

　このほか、Si系では名古屋大が太陽光励起レーザー（SPL）を用いたPVシステム、AISTがシリコーン封止材を用いた新構造のモジュールを提案している。

　SPLは、集光レンズで集光した太陽光をレーザー媒質に照射し、これを光励起することでレーザー発振を行うもの。試作したSPL＆単色光型PVは手のひらサイズで、単色レーザー光は光ファイバーを介してPVに照射する。PVは直径が100μm程度と超小型で、Siのバンドギャップとレーザー光子エネルギーがほぼ同じことから、発熱がゼロで、60％の超高効率が期待できる。現在、213倍の集光で変換効率30％を実現している。

　発熱がないため、複数のPVシートを箱の中に収めた非平面型PVも可能になる。ボックス内にPVを封止することで、ペロブスカイトのような耐久性の低い塗布型PVが使用でき、高耐久＆長期メンテナンスフリーのPV実現も夢ではない。

　AISTは信越化学工業と共同で、シリコーンゴム封止材を用いた新構造のPVモジュールを開発した。新型モジュールはガラスを使用しないサブストレート構造で、厚さ約500μmのシリコーンゴムシート封止材、厚さ約50μmの難燃性の高分子フィルム表面材、そして、裏面材に絶縁処理をしたアルミ合金板で構成している。アルミ合金の裏面材を採用したことで、直接かつ簡単にPVモジュールを固定・設置することができる。
　さらに、難燃材料であるシリコーン封止材や高分子フィルム表面材、アルミ合金裏面材を用いることで、モジュール全体を難燃化することができ、アルミ合金板の厚さを抑えることで従来比で半分程度の軽量化が可能になる。

　分子科学研究所（分子研）は素子の横からキャリアを取り出すD/A超格子型OPVを提案している。この構造では、縦方向の膜厚はキャリア輸送に無関係のため、膜厚を大きくすることで、すべての波長が吸収できる。現在、真空蒸着法による交互積層で超格子構造を作製し、キャリアを横方向に取り出すD/A超格子型PVの動作を実証している。

　近年、安価かつ簡便に作製できる半導体量子ドットを利用した量子ドットPVが注目されている。量子ドットPVは、粒子径の制御で光吸収領域の制御が可能、量子閉じ込め効果で光吸収係数が増大、多重励起子生成による光電流の増大、といった多くの利点がある。

　大きくはTiO2表面に増感剤として量子ドットを吸着した増感型と、量子ドット固体膜を利用したヘテロ接合型がある。増感型の効率向上には、量子ドットの品質向上と吸着量の増加、表面再結合の抑制が不可欠で、表面パッシベーション効果（ZnSなど）や量子ドットの複合化（コアシェル構造）などが検討されている。ヘテロ接合型（TCO/n型半導体/p型PbS量子ドット/金属電極）は10％超の変換効率が報告されているが、電子・正孔の分離、拡散長が短い、界面再結合といった課題がある。
　理論変換効率は44％だが、開放電圧が低いため、現状では11.6％にとどまる。さらなる高効率化には、ナノ界面状態の理解と制御が重要となる。

　マサチューセッツ工科大（MIT）、福島大は極薄、最軽量のPVを開発した。いずれもウエアラブルデバイスの電源としての応用が期待されている。

　MITが開発した超軽量PVは、有機材料のDBPを光吸収層とし、これを2枚のパリレンで挟んだ構造になっている。PVの膜厚は2μm程度と極薄で、軽量のため、シャボン玉の上にも設置できる。gあたりの出力は6Wで、kg換算では6000Wになる。一般的な結晶Siのkgあたりの出力が15W程度だと考えると、重量ベースでは400倍の出力が発揮できることになる。光吸収層は、有機系以外にも利用が可能で、量子ドットやペロブスカイトなど、様々な材料が利用できる。

　福島大もインクジェット技術を活用することで、紙より薄い超軽量の結晶Si太陽電池を開発した。ヘテロ接合とバックコンタクトを組み合わせたHBC構造で、厚さ53μmのフレキシブルHBCセルを支持基板なしで作製することに世界で初めて成功した。
　試作した素子のサイズは50mm×19mmで、約1cm角のHBCセルが3個組み込まれている。現在の変換効率は10.7％だが、研究チームでは厚さ50μmでも20％程度の効率が実現可能と説明している。