成果報告書詳細
管理番号20150000000406
タイトル平成20年度ー平成26年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業) ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(エピタキシャル成長技術)
公開日2016/4/22
報告書年度2008 - 2014
委託先名シャープ株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度?平成26年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業)ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発(エピタキシャル成長技術)

本研究開発は、変換効率向上のためのブレークスルーを探ることを優先的に行い、低コスト化技術についても変換効率向上技術の進捗に応じて取り組むものであって、東京大学を中心機関として、多数の大学法人と企業との連携で進められた。当初は平成18年度と19年度に受託した「太陽光発電システム未来技術研究開発 超高効率多接合型太陽電池の研究開発」で開発した技術を継承し、主にセル高効率化技術開発に取組んだが、平成24年度以降、集光モジュール開発と実証に着手した。セル高効率化技術開発では、非集光効率35%、集光効率45%をプロジェクト目標として逆積み3接合構造による超高効率太陽電池の開発に取り組み、産業技術総合研究所測定で世界最高記録の非集光効率37.9%を、フラウンホーファー研測定で世界トップレベルの集光効率44.4%を実現した。集光効率はプロジェクト目標45%には届かなかったが、反射防止膜の最適化によって達成の目途付けをした。またメカニカルスタック法による4接合セル開発を行い、エネルギーバンドギャップ0.75eVのInGaAsボトムセルで自社測定値1.2%の効率を確認し、効率37.9%の逆積み3接合セルとの組合せで39%実現の可能性を示した。MOCVD中型機により4インチ基板での逆積み3接合セル開発を行ったが、非集光効率、集光効率共に、世界最高効率の92%を超えるレベルにとどまり、その再現には至らず、4インチウエハ面内の均一性に課題が残った。中型機で作製した集光セルを宮崎での集光モジュール実証用に供給した。4インチ基板上に成長した逆積み3接合セルウエハを貼合せる支持基板材、及び貼合せプロセスを検討し、支持基板は半導体基板が、貼合せプロセスは合金化によるプロセスが適切であることを確認した。低コスト化技術であるエピタキシャルリフトオフ(ELO)と基板再利用技術開発に着手した。ELOで作製した4インチの逆積みGaAsセルと逆積みInGaP/GaAs2接合セルは特性の劣化がなく良好な結果が得られた。しかし一部割れが発生するなど、また再利用基板上に製膜し形成したセルでは特性の劣化が見られるなど問題が生じた。集光モジュール開発・実証においては、逆積み3接合セルを用いた高効率モジュールにおいて、目標値を上回る35.4%(自社測定)を達成した。フィールドテスト開始初期の一定期間において設計通りの性能を確認することができ、駆動系、架台部分を含め、集光システムの実用化に向けた目処を得ることができ、高日射地域における集光システムの市場性を確認することができた。長期信頼性テスト期間中に、レシーバーおよびモジュールの構成部材の一部に不具合が発生し、出力が低下する問題が発生し、課題が残ったが、逆積み3接合セルの評価としては、テスト期間中の特性低下は僅かであり、汎用品である従来型セルと同等の結果が得られた。フィールドテストで得られたデータや量産時の部材コストについて、部材メーカーとアセンブリメーカーから収集した情報に基づき、モジュールコスト75円/Wの実現の可能性があることを試算した。
英文要約Title:R&D on innovative Solar Cells (International Research Center for Innovative Solar Cell Program) “Research and Development of Post-silicon solar cells for ultra-high efficiencies (epitaxial technologies) (FY2008-2014) Final Report

The objectives of the current R&D are as follows. 1. To achieve 35% efficiency under non-concentration and 45% efficiency under concentration in inverted metamorphic (IMM) triple junction solar cells. 2. To achieve 39% efficiency under non-concentration and 48% efficiency under concentration in four junction solar cells. 3. To verify feasibility of 75yen/W module cost through field tests of concentrator systems at high sunlight areas. Optimization of structure and growth condition was performed for InGaAs bottom cell and InGaP buffer layers. Optimization of structure and anti-reflection coatings was performed for InGaP top cell. As a result world record 37.9% efficiency was achieved under non-concentration in an IMM triple junction cell as a measurement value by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. Reduction of series resistance was attained. Modification of electrode fabrication process to reduce GaAs contact finger width was also done. The highest efficiency of 44.4% among triple junction cells was achieved under concentration as a measurement value by Fraunhofer-ISE. Around 1% increase of Isc was confirmed by improving anti-reflection coatings and possibility of 45% efficiency was verified. Four junction cells by mechanical stack concept were investigated. 1.1% efficiency was confirmed in InGaAs bottom cell with 0.75eV Eg mechanically stacked under an IMM triple junction cell. Possibility of 39% efficiency was shown by adding 37.9% efficiency of IMM triple junction cell. Epitaxial technology of four inch IMM triple junction cells was investigated. Efficiency was at most 92% compared to world record cells fabricated in two inch wafers. Uniformity was not good in four inch wafers. Bonding technology was investigated for four inch wafers. Among several approaches bonding process using alloys and semiconductor substrates like Si was found to be suitable. Epitaxial lift off process was developed for GaAs single junction and InGaP/GaAs double junction cells. Almost same electrical characteristics were obtained for those cells compared with normal cells. However cracks were shown on wafers. Electrical characteristics of cells grown on reused substrates were degraded. As high as 35.4% efficiency was confirmed in a module with IMM triple junction cells. Designated performance was confirmed in a certain period at the beginning of field test and a prospect was obtained for a practical application of the systems. Problems occurred in mechanical parts of receivers and modules. Degradation was little for IMM triple junction cells during field tests. Feasibility of 75yen/W module cost under mass production was suggested based on field test data and information material suppliers showed.
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