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エネルギー新時代


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第15回 薄膜シリコン太陽電池の製造コストダウンに寄与する電極用インク [三菱マテリアル]

三菱マテリアルは、薄膜シリコン太陽電池向けの電極用インクを開発、そのさらなる性能アップや市場開拓を進めている。

同電極用インクは銀(Ag)、ITO(インジウム、スズ、酸化物)、シリカの3種で、いずれもナノサイズ。同社はかねてナノサイズの粒子の開発を進めてきており、その蓄積技術を活用し、基板の上に塗布する電極用インクの開発にこぎつけた。

従来より安価に製膜できる

太陽電池は、太陽光エネルギーを直接電気に変換する半導体素子などのことをいうが、その代表的な素子に薄膜シリコン太陽電池がある。電流を発生させるシリコン層を電極で挟んだ構造をもつが、この電池を構成する多数の層を形成する製法としては、スパッタ法、蒸着法、CVD法(化学気相法)などが一般的で、いずれも真空下での製膜法だ。

それに対し、三菱マテリアルの着眼した薄膜製法は、新たに開発した電極用インクを基板上に塗布する方法。電極用インクを基板に塗布して乾燥させ、更に一定温度で加熱。さらにその上に塗布し、同様の工程を繰り返す。こうして最終的に、薄膜Si大陽電池を構成する多数の層の内、裏面電極と呼ばれる3層の膜を形成する。

この製膜技術で得た素子は、スパッタ法などの真空チャンバーを使ったものと比べ、薄膜太陽電池として性能的にまったく遜色ない。しかも、真空スパッタ法や蒸着法に比べて製造コストが格段に低く、しかも工程は簡単というメリットが確認されている。

 同社中央研究所の電子材料研究部副主任研究員、山崎和彦さんは語る。

「太陽電池の需要が将来的に伸びることはわかっていたので、その予測のもとに開発を進めました。開発を本格化させたのは2006年くらいです。基盤技術はずっと以前からもっていたので、太陽電池としての性能自体はすぐ出すことができました。やはり課題は、性能もさることながらコストです。コストをいかに引き下げるかに成否がかかります」

真空製膜の薄膜太陽電池製造は、大がかりな装置を必要とし、巨額の初期投資を要するところが難点。それに対し、このインクを塗布する製法は、大規模設備を必要としないので、その初期投資は真空製膜法の半分ほどですむという。

ナノテクを駆使した製法

基板に塗布する電極用インクは、先述のように銀、ITO、シリカの3種。粒子の大きさはそれぞれ20-30nm。溶媒を使って薄めたインクを、スロットダイコーターという装置を使って基板上に均一に塗布し、その溶媒を飛ばして乾燥させれば均一な薄膜が形成される。

基板上の最も下に塗布するインクの膜はITO。その上に銀、シリカの膜を積層させる。膜の1層の厚さは100 nm前後。文字どおりナノテクノロジーの世界である。

薄膜シリコン太陽電池向け電極用インクの原料および構造

インクを乾燥させて薄膜を形成する温度は、2011年に開発した当初、約200℃だったが、高温加熱だと素子性能の劣化をまねきやすい。そこでその引き下げについてもその後さらに技術に磨きをかけ、いまでは150℃くらいまで下げることに成功している。

中間層に銀を使用しているのは、導電性と光の反射効率を上げるためだ。当然ながら薄膜は太陽光を透過しやすい。しかしみすみす太陽光を透過させてしまっては、光を使って半導体素子で発電するうえでぐあいが悪い。とらえた光の利用効率を少しでも引き上げることが求められるため、中間層に銀を入れて素子内部で乱反射をおこさせ、それによって光の効率利用を上げるしくみになっている。

しかも光の反射だけでなく、導電性も求められる。導電性だけ追求するのなら銅でもその機能がはたせるが、銅には光の反射能力に劣る。光の反射率と導電性。この両機能をそなえたインク素材として、銀を使っているというわけだ。

この電極用インクを使った薄膜太陽電池は、大型ガラス基板製造などで高度技術を持つ大日本スクリーン製造と共同開発。1.4m×1.1mサイズの大型ガラス基板に安定的に製膜することもすでに実証しており、2011年11月には上海市であった太陽電池の技術セミナー・展示会で発表、内外で反響を呼んだ。

ただ、太陽電池市場はすでに過当競争に陥っており、薄膜型の太陽電池はシリコン結晶型のそれに比べていささか劣勢。このため同社は、LED、有機EL、機能フィルムなどの分野への進出も視野に入れ、新たな開発を進めている。

掲載日:2012年9月 6日

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