基板にステンレス採用！フレキシブルで高性能・廉価なCIGS系太陽電池 : サイエンスジャーナル

科学大好き！アイラブサイエンス！最近気になる科学の疑問を、やさしく解説！毎日3分読むだけで、みるみる科学がわかる！

累積実績20万人突破のコンタクト/メガネの通販スタイルお得な観劇総合チケットサイト

　軽くて曲げられるCIGS系太陽電池開発
　今回、産業技術総合研究所の研究グループが、CIGS系太陽電池のフレキシブル基板として、より安価なステンレスの金属箔を採用することに成功した。

　CIGS太陽電池は、光電変換効率が高い、経年劣化がなく長期信頼性に優れる、といった特長を持つ高性能な薄膜型太陽電池の1つであり、軽くて曲げることもできるフレキシブル太陽電池も製作できる。薄膜系太陽電池の中で最も高い光電変換効率が得られ、以前から次世代型の太陽電池として注目されている。現在では量産販売も開始され、欧州を中心に市場導入が進んでいる。ただコストがかかる問題がある。

　CIGSとは銅（Cu）、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、セレン（Se）からなる多元系化合物半導体Cu(In,Ga)Se2であり、CIGS太陽電池とはCIGSを光吸収層に使った太陽電池である。InやGaなどの構成元素の比率や硫黄などの混合によって禁制帯幅（バンドギャップ）などの物性を制御できるのが特徴。しかし、これらの金属はレアメタルで高価である。

CIGS

　また基板も、これまではチタン箔やモリブデン箔、セラミックスシートをフレキシブルCIGS太陽電池の材料とした研究が行われてきた。しかし、実用化には材料の供給やコストに問題があった。安価なステンレスを基板に使うことで、軽くて曲げられる低コストの太陽電池が実現し、新しい用途の開拓が期待できる、と研究グループは言っている。（サイエンスポータル 2011年6月21日）

　CIGS太陽電池とは？
　福島第一原発事故などで深刻化する環境問題や、エネルギー政策の見直しの必要性などから、太陽光発電をはじめとする新エネルギーへの期待と関心はますます高まっている。

　CIGS太陽電池は、光を吸収する層に銅、インジウム、ガリウム、セレンからなる多元系化合物半導体を用いている。ステンレスのような金属を基板に使うと金属成分が化合物半導体層に入り込む問題があったが、研究グループは化合物半導体の表面を酸化マグネシウムで覆う工夫により、これを解決した。光電変換効率も15%と従来のCIGS系太陽電池と比べ大きな遜色がないことが確認された。

　CIGS太陽電池は、光電変換効率が高い、経年劣化がなく長期信頼性に優れる、といった特長を持ち、低コスト化も期待できる高性能な薄膜型太陽電池の1つであり、軽くて曲げることもできるフレキシブル太陽電池も製作できる。

　これまでフレキシブル太陽電池の用途は、耐荷重制限のある場所や曲面への設置、モバイル用電源などが考えられてきた。もし高性能で安価なフレキシブル太陽電池が実現すれば、今後は車載用など、より身近な環境での利用に加えて、従来の太陽電池を置き換えることや、宇宙用や太陽光発電所用などの新しい用途が生まれる可能性もあり、さらなる応用範囲の拡大も期待できる。

　基板にアルカリ効果
　産総研では、極薄ケイ酸塩ガラス層を基板表面に形成することでアルカリ効果による性能向上を実現するなどの技術を駆使して、高性能なフレキシブルCIGS太陽電池を開発してきた。

　産業技術総合研究所の仁木栄・太陽光発電工学研究センター副研究センター長、石塚尚吾・先端産業プロセス高効率化チーム主任研究員らが富士フイルムと共同で開発した新しいCIGS系太陽電池は、市販されている1枚のガラス基板上に複数の太陽電池を並べたものと違い、基板にステンレスを使っているのが特徴。

　金属基板の場合は、その成分が太陽電池の高温成膜時にCIGS層に拡散する問題がある。さらに集積型にするためには電気的な絶縁層を形成する必要があった。

　今回は、ステンレス箔の上にまずアルミニウム層を形成し、表面を陽極酸化法によって酸化アルミニウムへと変化させた。この酸化アルミニウムの層は、電気的な絶縁層であるとともに、金属基板成分のCIGS層への拡散を妨げる障壁層としても働いている。図2に、今回のCIGS太陽電池で利用したフレキシブル基板断面の模式図を示す。このフレキシブル基板は、富士フイルムによって試作されたものである。

　CIGS太陽電池では、ナトリウム（Na）などのアルカリ金属を添加することで高い光電変換効率が得られるアルカリ効果と呼ばれる性能向上効果が知られている。アルカリ効果はソーダ石灰ガラスを基板に用いる場合は自然に実現するが、フレキシブル基板などの場合にはアルカリ効果を得るために高精度なアルカリ制御技術が必要となる。これまでの技術を応用し、酸化アルミニウム層の上に、厚さを制御した極薄のケイ酸塩ガラス層を形成することで、高精度に制御されたアルカリ添加を行いアルカリ効果による高性能化を実現した。

参考HP 産総研 金属箔を基板に用いた高効率フレキシブルCIGS太陽電池