結晶シリコン(c-Si)は、小さな結晶からなる多結晶シリコン(multi-Si)または連続結晶である単結晶シリコン(mono-Si)のいずれかのシリコンの結晶形態である。 結晶シリコンは、太陽電池の製造のために光起電力技術で使用される支配的な半導体材料である。 これらのセルは、日光から太陽光を発生させるために太陽光発電システムの一部として太陽電池パネルに組み立てられる。

エレクトロニクスでは、結晶シリコンは、典型的にはシリコンの単結晶形態であり、マイクロチップを製造するために使用される。 このシリコンは、太陽電池に必要な不純物レベルよりもはるかに低い不純物レベルを含む。 半導体等級シリコンの製造には、高純度ポリシリコンを製造するための化学的精製と、その後に単結晶シリコンを成長させるための再結晶化プロセスが含まれる。 その後、円筒状のブールは、さらなる加工のためにウエハーに切断される。

結晶シリコンで作られた太陽電池は、1950年代に開発され、現時点で最も一般的なタイプのままであったため、従来の、従来の、または第1世代の太陽電池と呼ばれることが多い。 それらは160-190μmの厚さのソーラーウェーハ(ソーラーグレードのシリコンのバルクからのスライス)から製造されるため、ウェーハベースの太陽電池と呼ばれることがあります。

c-Siから作られた太陽電池は単接合セルであり、第2世代薄膜太陽電池であるライバル技術よりも一般的に効率的です。最も重要なものはCdTe、CIGS、アモルファスシリコン(a-Si)です。 アモルファスシリコンは、シリコンの同素体であり、アモルファスは、その非結晶形態を表す「形状なし」を意味する。

概要

分類
シリコンの同素体形態は、単結晶構造からいくつかの中間品種を有する完全に非規則的な非晶質構造に及ぶ。 さらに、これらの異なる形態はそれぞれ、いくつかの名前とより多くの略語を持つことができ、特に、PV技術としてのいくつかの材料とその用途は重要ではないが、他の材料は非常に重要であるため、非専門家に混乱を招くことがある。

太陽光発電産業
しかし、太陽光産業は、それらを2つの異なるカテゴリに分類しています。

伝統的な従来のウェハベースの太陽電池で使用される結晶シリコン(c-Si):
単結晶シリコン(モノ-Si)
多結晶シリコン(多結晶シリコン)
リボンシリコン(リボン-Si)は、現在市場を有していない
結晶シリコンに分類されず、薄膜および他の太陽電池技術で使用される:
アモルファスシリコン(a-Si)
ナノ結晶シリコン(nc-Si)
プロト結晶シリコン(pc-Si)
他の非シリコン材料、例えばCdTe、CIGS
新興太陽光発電
宇宙太陽光発電のための宇宙船のソーラーパネルに一般的に使用されるマルチジャンクション太陽電池(MJ)。 太陽光を多く受ける場所に最適な新技術であるコンセントレータ型太陽光発電(CPV、HCPV)にも使用されています。
世代
あるいは、異なるタイプの太陽電池および/またはそれらの半導体材料は、世代によって分類することができる。

第1世代の太陽電池は、従来の伝統的なウェーハベースの太陽電池とも呼ばれる結晶シリコンでできており、単結晶(モノSi)および多結晶(多Si)半導体材料を含む。
第2世代の太陽電池またはパネルは、薄膜技術に基づいており、商業的に重要である。 これらには、CdTe、CIGSおよびアモルファスシリコンが含まれる。
第3世代の太陽電池は、ほとんどまたはまったく市場の重要性を伴わない新興技術として分類されており、多くの場合、有機金属、有機金属化合物を使用する大部分の物質が含まれています。
おそらく、多接合太陽電池は、これらの世代のいずれにも分類できない。 典型的な三重接合半導体は、InGaP /(In)GaAs / Geからなる。

技術仕様の比較

カテゴリー 技術 η(%) V OC (V) I SC (A) W /m² t (μm)
薄膜太陽電池 a-Si 11.1 6.3 0.0089 33 1
CdTe 16.5 0.86 0.029 5
CIGS 20.5

市場占有率
2013年には、従来の結晶シリコン技術が世界的なPV生産を支配し、マルチSiはモノSiよりも先行して市場をリードし、それぞれ54%と36%を占めています。 過去10年間、薄膜技術の世界市場シェアは18%以下で停滞し、現在は9%となっています。 薄膜市場では、CdTeは年間生産量が2GWp(5%)、続いてa-SiとCIGS(約2%)をリードしています.4,18常時配電されるPV容量は139ギガワット(2013年現在) 121GWの結晶シリコン(87%)と18GWの薄膜(13%)技術に分かれています。

効率
PV装置の変換効率は、入射放射光と比較して出て行く電力のエネルギー比を表す。 単一の太陽電池は、一般に、ソーラーモジュール全体よりも優れた、またはより高い効率を有する。 また、ラボの効率性は、市場で市販されている製品よりも常に大幅に前進しています。

ラボ細胞
2013年には、実験室のセル効率が結晶シリコンで最高でした。 しかし、マルチシリコンには、テルル化カドミウムとセレン化インジウムガリウムセレン太陽電池

25.6% – モノSiセル
20.4% – マルチSiセル
21.7% – CIGSセル
21.5% – CdTeセル
これらはすべて単接合太陽電池です。 高濃度、多接合セルの場合、2014年の記録は44.7%であった。

モジュール
平均的な商業用結晶シリコンモジュールは、過去10年間で効率を約12%から16%に向上させました。 同時期にCdTeモジュールは効率を9%から16%に向上させました。 2014年に研究室の条件で最も優れたモジュールは、単結晶シリコンでできていました。 これらの製品は、従来のシリコン技術が依然として改善され、その主導的地位を維持する可能性があることを示す商業生産されたモジュールの効率(23%対16%)より7%上回っています。

2014年のコンセントレータ技術を使用したマルチジャンクションモジュールの最高のラボモジュール効率は36.7%の効率に達しました。

エネルギー回収時間
エネルギー回収時間(EPBT)は、製造および設置に使用されたのと同じ量のエネルギーを生成するためにPVシステムが動作する必要がある時間を表します。 このエネルギー償却は、何年にもわたり、損益分岐点エネルギー回収期間とも呼ばれています。 EPBTは、PVシステムが設置されている場所(例えば、利用可能な太陽光の量)とシステムの効率、すなわちPV技術のタイプおよびシステムのコンポーネントに大きく依存する。

1990年代からのライフサイクル分析(LCA)では、エネルギー回収期間が10年とされることがよくありました。 2000年代初めにはすでに3年以下にまで短縮されていたが、「太陽光発電はそれを生み出すエネルギーを返済しない」という神話は現在まで続くと思われる。

EPBTは、正味エネルギー利得(NEG)とエネルギー投入型エネルギー(EROI)で返されるエネルギーの概念に密接に関連している。 彼らは両方ともエネルギー経済学で使用され、エネルギー源を収穫するために費やされたエネルギーとその収穫から得られたエネルギーの量の差を指します。NEGとEROIもまた、PVシステムの動作寿命を考慮に入れており、多くのメーカーが現在25年間の製品保証を提供しているため、通常25〜30年の有効生産寿命が想定されています。 これらのメトリックから、エネルギー回収時間は計算によって導き出すことができます。

さまざまな場所や技術のエネルギー回収期間

ロケーション
結晶シリコン 薄膜 CPV 放射線
モノ マルチ a-Si CIGS CdTe
北中欧、カナダ 3.3 2.1 2.4 1.7 1.1 1200 kWh
南ヨーロッパ、アメリカ、南アメリカ、インド 1.8 1.2 1.3 0.9 0.7 0.8 1700 kWh
アメリカ南西部、オーストラリア、アフリカ、中東 1.5 <1.2 0.9 <0.9 <0.7 <0.8 1900 kWh
出典:フラウンホーファーFHI、エネルギー回収時間、プレゼンテーションスライド、光電池報告、p。 30-32
表: kWh /m²/ a – キロワット時/平方メートル/年、グローバル水平照射

EPBTの改善
EPBTは、薄膜技術よりも結晶シリコンを使用したPVシステムでは常に長くなっています。 これは、電気炉中の高品位の石英砂の減少によってシリコンが生成されるという事実に起因する。 この炭熱製錬工程は1000℃以上の高温で行われ、非常にエネルギー集約的で、生産されたキログラム当たり約11キロワット(kWh)のシリコンを使用しています。 しかし、結晶シリコンセルは太陽光をより効率的に変換するようになり、ウェーハ材料の厚さは常に減少し、そのため製造に必要なシリコンは少なくて済むので、エネルギー回収時間は過去数年間で大幅に短縮されました。 過去10年間で、太陽電池に使用されるシリコンの量は、ワットピーク当たり16グラムから6グラムに減少しました。 同時期に、c-Siウェハの厚さは、300μmまたはミクロンから約160-190μmに減少した。 結晶シリコンウェーハは、現在では400μm程度であった1990年の40%の厚さになっています。:29結晶シリコンインゴットをウェーハにスライスするソーイング技術は、カーフロスを減らし、シリコンおがくずをリサイクルしてください。

材料とエネルギー効率の主要パラメータ
<table>
<tbody>
<tr>
<th>パラメータ</ th>
第1モノSi
第1CdTe <
</ tr>
<tr>
<td>セル効率</ td>
<td> 16.5%</ td>
<td> 15.6%</ td>
</ tr>
<tr>
<td>セルをモジュール効率の低下</ td>
<td> 8.5%</ td>
<td> 13.9%</ td>
</ tr>
<tr>
<td>モジュール効率</ td>
<td> 15.1%</ td>
<td> 13.4%</ td>
</ tr>
<tr>
<td>ウェハの厚さ/層の厚さ</ td>
<td>190μm</ td>
<td>4.0μm</ td>
</ tr>
<tr>
<td>カーフロス</ td>
<td>190μm</ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td>セルあたりの銀</ td>
<td> 9.6g / m 2 </ sup> </ td>
<td> – </ td>
</ tr>
<tr>
<td>ガラスの厚さ</ td>
<td> 4.0 mm </ td>
<td> 3.5 mm </ td>
</ tr>
<tr>
<td>運用期間</ td>
<td> 30年</ td>
<td> 30年</ td>
</ tr>
<tr>
<th colspan = “3”>出典:<i> IEA-PVPS、ライフサイクルアセスメント、2015年3月</ i> </ th>
</ tr>
</ tbody>
</ table>
毒性
アモルファスシリコンを除き、ほとんどの商業的に確立されたPV技術は有毒な重金属を使用します。 CIGSはしばしばCdSバッファ層を使用し、CdTe技術の半導体材料自体には有毒なカドミウム(Cd)が含まれています。 結晶シリコンモジュールの場合、セルの銅ストリングを結合するはんだ材料は、約36%の鉛(Pb)を含有する。 さらに、スクリーン印刷の前面および背面コンタクトに使用されるペーストは、痕跡量のPbおよび場合によってはCdも含む。 100ギガワットのc-Siソーラーモジュールには約1,000トンの鉛が使用されていると推定されています。 しかし、はんだ合金には鉛の基本的な必要性はない。

セル技術
PERC太陽電池
パッシベーションされたエミッタリアコンタクト(PERC)太陽電池は、太陽電池の後面に余分な層を追加することからなる。 この誘電性受動層は、吸収されなかった光を太陽電池に反射して、太陽電池効率を高める第2の吸収試行を行うように作用する。

PERCは、追加の膜堆積およびエッチングプロセスによって形成される。 エッチングは、化学的処理またはレーザー処理のいずれかによって行うことができる。

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HIT太陽電池
HIT太陽電池は、超薄膜アモルファスシリコン層で囲まれた単結晶シリコンウエハからなる。 頭字語の頭字語(HIT)は、本質的な薄層を有するヘテロ接合を表す。 HIT細胞は、日本の多国籍企業のPanasonic(Sanyoの太陽電池と植物も参照)によって生産されています。 パナソニックと他のいくつかのグループは、HIT設計の従来のc-Si対応製品に比べていくつかの利点を報告しています。

真性a-Si層は、c-Siウェハ用の有効表面パッシベーション層として作用することができる。
2.p + / n +ドープされたa-Siは、セルの有効なエミッタ/ BSFとして機能する。
a-Si層は、従来の拡散c-Si技術の処理温度と比較して、はるかに低い温度で堆積される。
4. HITセルはc-Siセル技術に比べて温度係数が低い。

これらの利点のすべてのために、この新しいヘテロ接合太陽電池は、従来のc-Siベースの太陽電池の有望な低コスト代替物であると考えられている。

HIT細胞の作製

製造順序の詳細は、グループによって異なる。 典型的には、良好な品質のCZ / FZ成長c-Siウェハ(約1msの寿命を有する)がHITセルの吸収層として使用される。 NaOHまたは(CH3)4NOHのようなアルカリ性エッチャントを使用して、ウエハの(100)表面をテクスチャ加工して、高さ5~10μmのピラミッドを形成する。 次に、ウェハは過酸化物およびHF溶液を用いて洗浄される。 これに続いて、典型的にはPECVDまたは熱線CVDを介して真性a-Siパッシベーション層が堆積される。 前駆体としては、H2で希釈したシラン(SiH4)ガスを用いる。 堆積温度および圧力は、200℃および0.1-1Torrに維持される。 欠陥のあるエピタキシャルSiの形成を避けるためには、このステップを正確に制御することが不可欠です。 堆積およびアニーリングおよびH 2プラズマ処理のサイクルは、優れた表面パッシベーションを提供することが示されている。 SiH4と混合したジボランまたはトリメチルボロンガスを用いてp型a-Si層を堆積し、SiH4と混合したホスフィンガスを用いてn型a-Si層を堆積する。 ドーピングされたa-Si層のc-Siウェハへの直接堆積は非常に不十分な不動態化特性を有することが示されていることに留意されたい。 これは、a-Si層におけるドーパント誘起欠陥発生に起因する可能性が最も高い。 スパッタリングされたインジウム錫酸化物(ITO)は、a-Siが高い横方向抵抗を有するため、両面設計において前面および背面のa-Si層の上に透明導電性酸化物(TCO)層として一般に使用される。 バックメタルの拡散を避けるため、また反射光のインピーダンスマッチングのために、一般的に、完全に金属化されたセルの裏側にも堆積される。 厚さ50-100μmの銀/アルミニウムグリッドは、両面デザインのために前面コンタクトと背面コンタクトのためのステンシル印刷によって堆積される。 製造プロセスの詳細な説明は、を参照してください。

光電モデリングとHIT細胞のキャラクタリゼーション

文献は、これらの細胞におけるキャリア輸送ボトルネックを解釈するためのいくつかの研究について論じている。 伝統的な明暗のIVは広範囲に研究され、伝統的な太陽電池の理論を用いて説明することができないいくつかの重要な特徴を有することが観察される。 これは、真性a-Si層とc-Siウェーハとの間にヘテロ接合が存在するために、電流フローに複雑さが増すからである。 さらに、相補的な情報を生成するためにCV、インピーダンス分光法、表面光電圧、suns-Vocを使用してこの太陽電池を特徴づけるための重要な努力がなされている。

さらに、新しいエミッタの使用、二面構成、二重バックコンタクト(IBC)構成二面 – タンデム構成のような多くの設計上の改良が積極的に追求されている。

モノシリコン
単結晶シリコン(モノc-Si)は、結晶構造が材料全体にわたって均質である形態である。 配向、格子パラメータ、および電子特性は、材料全体にわたって一定である。 リンおよびホウ素のようなドーパント原子は、しばしば、シリコンのn型またはp型を作るためにフィルムに組み込まれる。 単結晶シリコンは、通常はチョクラルスキー成長法によってシリコンウェーハの形で製造され、所望の単結晶ウェーハ(300mmSiウェーハの場合約200ドル)の径方向のサイズに応じてかなり高価になります。 有用であるが、この単結晶材料は、製品の最終価格の約40%がセル製造に使用される出発シリコンウェハのコストに起因する太陽電池の製造に関連する主な費用の1つである。

マルチシリコン
多結晶シリコン(マルチc-Si)は、典型的には> 1mmの大きさの、様々な結晶方位の多くのより小さいシリコン粒子からなる。 この材料は、所望の結晶構造の種結晶を用いて液体シリコンを冷却することによって容易に合成することができる。 さらに、高温化学気相成長法(CVD)のような、より小さな粒度の多結晶シリコン(poly-Si)を形成するための他の方法が存在する。

結晶シリコンに分類されない
これらのシリコンの同素体は結晶シリコンに分類されない。 それらは薄膜太陽電池のグループに属する。

アモルファスシリコン
アモルファスシリコン(a-Si)は、長距離周期秩序を有さない。 独立型材料としての光電池へのアモルファスシリコンの適用は、その劣った電子特性によって幾分制限される。 しかしながら、タンデムおよび三重接合太陽電池において微結晶シリコンと対になる場合、単一接合太陽電池よりも高い効率が達成され得る。 太陽電池のこのタンデムアセンブリは、1.7〜1.8eVのバンドギャップのアモルファスシリコンのバンドギャップと比較して、約1.12eV(単結晶シリコンと同じ)のバンドギャップを有する薄膜材料を得ることを可能にする。 タンデム太陽電池は、単結晶シリコンに類似したバンドギャップで製造することができるが、アモルファスシリコンが容易であるため、魅力的である。

ナノ結晶シリコン
ナノ結晶シリコン(nc-Si)は、微晶質シリコン(μc-Si)とも呼ばれ、多孔質シリコンの一形態です。 それはアモルファス相を有する点で、アモルファスシリコン(a-Si)に類似している、準結晶構造を有するシリコンの同素体形態である。 しかしながら、それらが異なる場合、nc-Siは非晶質相内に結晶シリコンの小さな粒子を有する。 これは、粒界によって分離された結晶シリコン粒子のみからなる多結晶シリコン(poly-Si)とは対照的である。 その違いは、結晶粒の粒径のみに起因する。 マイクロメートルの範囲の粒子を有するほとんどの材料は、実際には微細粒のポリシリコンであるため、ナノ結晶シリコンがより良い用語である。 ナノ結晶シリコンという用語は、シリコン薄膜における非晶質相から微結晶相への遷移領域周辺の材料の範囲を指す。

プロト結晶シリコン
プロトコクリスタリンシリコンはアモルファスシリコン(a-Si)よりも高い効率を持ち、安定性を改善することが示されていますが、除去することはできません。 原結晶相は、結晶成長中に起こる明瞭な相であり、微晶質形態に変化する。

Protocrystalline Siは、より規則的な結晶構造のため、バンドギャップの近くで比較的低い吸収も有する。 このように、原結晶シリコンとアモルファスシリコンとをタンデム太陽電池で組み合わせることができ、そこでは、薄い原結晶シリコンの最上層が短波長の光を吸収し、長波長は下のa-Si基板によって吸収される。

非晶質から結晶質シリコンへの変換
アモルファスシリコンは、よく理解され広く実装されている高温アニールプロセスを用いて、結晶シリコンに変態することができる。 工業的に使用される典型的な方法は、高価な特殊高温ガラスのような高温適合材料を必要とする。 しかしながら、これは本質的に魅力的でない生産方法である多くの用途がある。

低温誘起結晶化
フレキシブルな太陽電池は、太陽光発電所よりも目立たない統合された発電のための関心の対象であった。 これらのモジュールは、電柱や携帯電話の塔の周りを包むなど、従来のセルが実現できない領域に配置することができます。 この用途では、光起電力材料は、しばしばポリマーである可撓性基板に塗布されてもよい。 そのような基材は、従来のアニーリングの間に経験した高温で生き残ることができない。 代わりに、下にある基板を乱すことなくシリコンを結晶化させる新規な方法が広く研究されている。 アルミニウム誘起結晶化(AIC)および局所レーザー結晶化は、文献では一般的であるが、工業的には広く使用されていない。

これらの方法の両方において、アモルファスシリコンは、プラズマ強化化学気相堆積(PECVD)のような従来の技術を使用して成長される。 結晶化方法は、堆積後処理の間に発散する。

アルミニウム誘起結晶化では、アモルファスシリコンの表面上にアルミニウム(50nm以下)の薄層が物理気相堆積によって堆積される。 次に、この材料の積層体は、真空中140℃〜200℃の比較的低い温度でアニールされる。 アモルファスシリコン中に拡散するアルミニウムは、存在する水素結合を弱くし、結晶の核形成および成長を可能にすると考えられている。 実験により、粒度が0.2〜0.3μm程度の多結晶シリコンを150℃という低温で製造できることが示されている。 結晶化されるフィルムの体積分率は、アニーリングプロセスの長さに依存する。

アルミニウム誘起結晶化は、適切な結晶学的および電子的特性を有する多結晶シリコンを生成し、これにより、光電池用の多結晶薄膜を製造する候補となる。 AICは、結晶シリコンナノワイヤおよび他のナノスケール構造を生成するために使用することができる。

同じ結果を達成する別の方法は、下側の基板をある上限温度を超えて加熱することなく、シリコンを局所的に加熱するレーザの使用である。 エキシマレーザまたは周波数二倍Nd:YAGレーザのようなグリーンレーザを用いてアモルファスシリコンを加熱し、粒子成長を核化するのに必要なエネルギーを供給する。 レーザフルエンスは、広範囲に溶融することなく結晶化を誘発するために注意深く制御しなければならない。 膜の結晶化は、シリコン膜の非常に小さい部分が溶融し、冷却されるのに伴って生じる。 理想的には、レーザはシリコン膜をその全厚さで溶融させるが、基板を損傷することはない。 この目的のために、二酸化ケイ素の層が熱障壁として作用するために添加されることがある。 これにより、例えば標準的なアニーリングの高温に曝されない基体、例えばポリマーの使用が可能になる。 ポリマーで裏打ちされた太陽電池は、光電池を日常の表面に配置することを含む、シームレスに統合された電力生産方式にとって重要です。

アモルファスシリコンを結晶化させる第3の方法は、熱プラズマジェットの使用である。 この戦略は、レーザー処理に関連するいくつかの問題、すなわち結晶化の小さな領域および生産規模におけるプロセスの高コストを軽減する試みである。 プラズマトーチは、アモルファスシリコンを熱的にアニールするのに使用される単純な装置である。 レーザー法と比較して、この技術はより簡単で費用効果が高い。

プラズマトーチアニーリングは、プロセスパラメータおよび装置寸法を容易に変更して様々なレベルの性能を得ることができるため、魅力的である。 この方法で高レベルの結晶化(約90%)を得ることができる。 短所としては、フィルムの結晶化の均一性を達成することが困難であることが挙げられる。 この方法はガラス基板上のシリコンに頻繁に適用されるが、処理温度はポリマーにとっては高すぎる可能性がある。

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