薄膜太陽電池は、ガラス、プラスチックまたは金属などの基板上に1つまたは複数の薄層、または光起電力材料の薄膜(TF)を堆積させることによって作製される第2世代の太陽電池である。 薄膜太陽電池は、テルル化カドミウム(CdTe)、二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、および非晶質薄膜シリコン(a-Si、TF-Si)を含むいくつかの技術において商業的に使用されている。

膜厚は数ナノメートル(nm)から数十μm(μm)で、従来の第一世代の結晶シリコン太陽電池(c-Si)である薄膜のライバル技術よりもはるかに薄い。 μmである。 これにより、薄膜電池は可撓性を有し、軽量化される。 それは統合された光電池を構築する際、および窓に積層することができる半透明の光起電グレージング材料として使用される。 他の商用アプリケーションでは、世界最大級の太陽光発電所の一部に硬質薄膜太陽電池パネル(2枚のガラス板で挟まれている)を使用しています。

薄膜技術は、従来のc-Si技術より常に安価ですが効率は低かったです。 しかし、これは長年にわたって大幅に改善されています。 CdTeとCIGSのラボセル効率は現在21%を超えており、ほとんどの太陽光発電システムで現在使用されている主要な材料である多結晶シリコンを上回っています:23,24実験室条件下で薄膜モジュールの寿命試験を加速すると、 20年以上の寿命が一般的に期待される。 これらの強化にもかかわらず、薄膜の市場シェアは過去20年間で20%以上に達したことはなく、近年では2013年の世界の太陽光発電設備の約9%に減少しています。

現在進行中の研究の初期段階にあるか、または限られた商業上の入手可能性を有する他の薄膜技術は、しばしば新興または第三世代の光電池として分類され、有機、色素増感およびポリマー太陽電池、ならびに量子ドット、銅亜鉛錫硫化物、ナノクリスタル、マイクロモルフ、およびペロブスカイト太陽電池が含まれる。

タイプ
多くの光起電力材料は、様々な基板上に異なる堆積方法で製造される。 薄膜太陽電池は、通常、使用される光起電性材料に従って分類される:

アモルファスシリコン(a-Si)および他の薄膜シリコン(TF-Si)
カドミウムテルライド(CdTe)
銅インジウムガリウムおよびセレン(CISまたはCIGS)
色素(DSC)や他の有機太陽電池で増感された太陽電池。

歴史
薄膜電池は、1970年代後半から市場に登場したアモルファスシリコンの小さなストリップを搭載した太陽電卓が有名です。

高度な建物一体型設備や車両充電システムで使用される非常に大きなモジュールで利用可能になりました。

薄膜技術は市場で大きな進歩を遂げ、長期的には従来の支配的な結晶シリコン(c-Si)技術を上回ることが期待されていましたが、市場シェアはここ数年間低下しています。 従来のPVモジュールが不足していた2010年には、市場全体の15%を占める薄膜が2014年には8%に減少し、2015年以降は7%で安定すると予想されています。 10年の終わりまでに市場シェアの半分を失うことになる。

材料
薄膜技術は、セル内の活性材料の量を減少させる。 ガラスの2枚の窓ガラスの間にあるほとんどのサンドイッチの活物質。 シリコンソーラーパネルはガラスを1枚しか使用しないため、薄膜パネルは結晶シリコンパネルの約2倍の重さですが、ライフサイクル分析から決定されるエコロジーの影響は小さいです。 フィルムパネルの大部分は、結晶シリコンよりも変換効率が2〜3%低い。 テルル化カドミウム(CdTe)、セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)、アモルファスシリコン(a-Si)は、屋外用途によく使用される3つの薄膜技術です。

カドミウムテルライド
カドミウムテルライド(CdTe)は、主な薄膜技術です。 世界のPV生産量の約5%を占めており、薄膜市場の半分以上を占めています。 セルの研究室の効率も近年大幅に向上しており、2013年現在のCIGS薄膜とほぼ同等であり、多結晶シリコンの効率に近い。また、CdTeは全質量のうち最も低いエネルギー回収時間を有する生産されたPV技術を使用しており、好ロケーションでは8ヶ月もの短期間である可能性があります.31著名なメーカーは、アリゾナ州テンペにある米国のFirst Solar社で、CdTeパネルを約14% 1ワットあたり0.59ドルのコスト。

カドミウムの毒性はそれほど問題ではないかもしれないし、生涯の終わりにCdTeモジュールのリサイクルで環境問題が完全に解決されたとしても、まだ不確実性があり、世論はこの技術に対して懐疑的である。 また、希少材料の使用は、CdTe薄膜技術の工業的スケーラビリティの制限要因になる可能性があります。 テルルの希少性(そのうちテルライドはアニオン型)は、地殻のプラチナに匹敵し、モジュールのコストに大きく貢献します。

銅インジウムガリウムセレン化物
銅インジウムガリウムセレン化太陽電池またはCIGSセルは、銅、インジウム、ガリウム、セレン化物(CIGS)からなる吸収体を使用し、半導体材料のガリウムフリーバリアントはCISと略記される。 これは、3つの主流の薄膜技術の1つであり、残りの2つはテルル化カドミウムとアモルファスシリコンであり、2013年の全PV市場でラボ効率が20%を超え、2%のシェアを占めています。パネルは現在破産しているカリフォルニアのフリーモントにあるソリンドラであった。 従来の製造方法は、共蒸着およびスパッタリングを含む真空プロセスを含む。 2008年、IBMと東京応化工業(TOK)は、CIGSセル用の新しい非真空ソリューション・ベースの製造プロセスを開発し、15%以上の効率化を目指していると発表しました。

ハイパースペクトルイメージングは​​、これらの細胞を特徴付けるために使用されてきた。 Photonなどと共同でIRDEP(Photovoltaic Energyの研究開発研究所)の研究者は、フォトルミネッセンスマッピングによる準フェルミ準位の分離を決定することができたが、エレクトロルミネッセンスデータを用いて外部量子効率(EQE) 。 また、光ビーム誘起電流(LBIC)の地図作成実験を通して、微結晶CIGS太陽電池のEQEは、視野の任意の点で決定することができた。

2014年9月現在、実験用CIGSセルの現在の変換効率の記録は21.7%です。

シリコン
3つの主要なシリコンベースのモジュールデザインが優位を占めています。

アモルファスシリコンセル
非晶質/微結晶タンデム細胞(マイクロモルフ)
ガラス上の薄膜多結晶シリコン。

アモルファスシリコン
アモルファスシリコン(a-Si)は、シリコンの非結晶性の同素体形態であり、現在までに最もよく開発された薄膜技術である。 薄膜シリコンは、従来のウェーハ(またはバルク)結晶シリコンの代替物です。 研究室では、カルコゲナイド系のCdTeおよびCIS薄膜電池が大きな成功を収めて開発されていますが、シリコンベースの薄膜電池には依然として業界の関心があります。 シリコンベースのデバイスは、CdTeおよびCISの対応物よりも、CdTeセルの毒性および湿度の問題および材料の複雑さに起因するCISの低い製造歩留りなどの問題をほとんど示さない。 さらに、太陽エネルギー生産における非緑色材料の使用に対する政治的抵抗のために、標準的なシリコンの使用には不名誉はない。

このタイプの薄膜電池は、大部分がプラズマ強化化学蒸着と呼ばれる技術によって製造される。 これは、シラン(SiH 4)と水素の気体混合物を使用して、ガラス、プラスチックまたは金属のような基板上に僅か1マイクロメートル(μm)のシリコンの非常に薄い層を堆積させ、既に透明導電層酸化物。 基板上にアモルファスシリコンを堆積するために使用される他の方法には、スパッタリングおよび熱線化学気相堆積技術が含まれる。

a-Siは、太陽電池材料として魅力的です。なぜなら、a-Siは豊富で無毒な材料であるからです。 処理温度が低いことが要求され、シリコン材料をほとんど必要とせずに柔軟で低コストの基板にスケーラブルな生産を可能にします。 アモルファスシリコンは、そのバンドギャップが1.7eVであるため、赤外線、さらには紫外線を含む非常に広い範囲の光スペクトルを吸収し、弱い光でも非常に良好に動作します。 これにより、拡散した間接的な昼光にさらされた場合、結晶シリコンセルとは反対に、午前中または午後遅く、曇った雨の日に発電が可能になります。

しかし、a-Siセルの効率は、手術の最初の6ヶ月間に約10〜30%の著しい低下を被る。 これは、Staebler-Wronski効果(SWE)と呼ばれています。これは、長時間の太陽光に曝されることによる光伝導度の変化や暗伝導率の変化による電気出力の典型的な損失です。 この分解は、150℃以上のアニールで完全に可逆的であるが、従来のc-Si太陽電池は、最初にこの効果を示さない。

その基本的な電子構造はピン接合である。 a-Siのアモルファス構造は、高い固有の無秩序性およびダングリングボンドを意味し、電荷キャリアにとってそれを悪い導体にする。 これらのダングリングボンドは、キャリア寿命を著しく低下させる再結合中心として作用する。 ニップ構造とは対照的に、ピン構造が通常使用される。 これは、a-Si:H中の電子の移動度が正孔の移動度よりおよそ1または2桁大きいため、n型からp型への電子の移動速度が、 p型からn型への接触。 したがって、p型層は、光強度がより強い上部に配置されるべきであり、その結果、接合部を横切る電荷キャリアの大部分は電子である。

a-Si /μc-Siを用いたタンデムセル
アモルファスシリコンの層は、シリコンの他の同素体形態の層と組み合わせて、多接合太陽電池を製造することができる。 2つの層(2つのpn接合)のみが結合されている場合、これはタンデムセルと呼ばれます。 これらの層を他の層の上に積み重ねることにより、より広い範囲の光スペクトルが吸収され、細胞の全体効率が改善される。

マイクロアモルファスシリコンでは、微結晶シリコンの層(μc-Si)をアモルファスシリコンと組み合わせて、タンデムセルを作ります。 上部a-Si層は可視光を吸収し、赤外線部分を下部μc-Si層に残す。 マイクロモーフィングスタックセルコンセプトは、スイスのヌーシャテル大学のマイクロテクノロジー研究所(IMT)で開拓され特許取得され、TELソーラーにライセンス供与されました。 12.24%のモジュール効率を備えたマイクロモルフコンセプトに基づく新しい世界記録PVモジュールは、2014年7月に独立して認定されました。

すべての層がシリコンでできているため、PECVDを使用して製造することができます。 a-Siのバンドギャップは1.7eVであり、c-Siのバンドギャップは1.1eVである。 c-Si層は赤色光および赤外光を吸収することができる。 最良の効率は、a-Siとc-Siの間の遷移で達成することができる。 ナノ結晶シリコン(nc-Si)はc-Siとほぼ同じバンドギャップを有するため、n-Siはc-Siに取って代わることができる。

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a-Si / pc-Siを用いたタンデムセル
アモルファスシリコンは、プロトンクリスタルシリコン(PC-Si)と組み合わせて、タンデムセルにすることもできます。 ナノクリスタルシリコンの体積率が低いプロト結晶シリコンは、高い開回路電圧に最適です。 これらのタイプのシリコンは、ダングリングおよびねじれ結合を示し、深い欠陥(バンドギャップのエネルギー準位)ならびに価電子帯および伝導帯(バンドテール)の変形をもたらす。

ガラス上の多結晶シリコン
バルクシリコンの利点を薄膜デバイスの利点と融合させる新しい試みは、ガラス上の薄膜多結晶シリコンである。 これらのモジュールは、プラズマ強化化学気相成長法(PECVD)を用いて、テクスチャ加工されたガラス基板上に反射防止コーティングおよびドープされたシリコンを堆積させることによって製造される。 ガラス中のテクスチャは、太陽電池から反射する入射光の量を減らし、太陽電池内部の光を閉じ込めることによって、セルの効率を約3%向上させる。 シリコン膜は、400℃~600℃の温度のアニーリング工程によって結晶化され、多結晶シリコンが得られる。

これらの新しいデバイスは、8%のエネルギー変換効率と90%を超える高い製造歩留まりを示します。 多結晶シリコンが1〜2マイクロメータである結晶シリコンオンガラス(CSG)は、その安定性と耐久性の点で注目されている。 薄膜技術の使用は、バルク太陽電池に比べてコスト削減にも寄与する。 これらのモジュールは、透明導電性酸化物層の存在を必要としない。 これにより、生産プロセスが2倍に単純化されます。 このステップをスキップすることができるだけでなく、このレイヤーがないため、コンタクトスキームを構成するプロセスがずっと簡単になります。 これらの簡素化の両方により、生産コストがさらに削減されます。 代替設計に比べて多くの利点があるにもかかわらず、単位面積当たりの生産コスト見積もりは、これらのデバイスが単接合非晶質薄膜電池に匹敵することを示しています。

ガリウム砒素
半導体材料ガリウムヒ素(GaAs)は、単結晶薄膜太陽電池にも使用されている。 GaAsセルは非常に高価ですが、28.8%という最高効率、単接合太陽電池の世界記録を保持しています。 GaAsは、宇宙船のソーラーパネル(InGaP /(In)GaAs / Geセル)のコストを上回る効率を好むため、宇宙船上の太陽電池パネル用の多接合太陽電池でより一般的に使用されている。 また、太陽光を多く受ける場所に最適な新技術である集光型太陽光発電にも使用されています。

新興太陽光発電
National Renewable Energy Laboratory(NREL)はいくつかの薄膜技術を新興の太陽電池として分類しています。その大部分はまだ商業的に適用されておらず、まだ研究開発段階にあります。 多くの場合、有機物、しばしば有機金属化合物および無機物が使用されます。 その効率は低く、吸収材の安定性はしばしば商業的用途にとっては短すぎるという事実にもかかわらず、これらの技術に投資された多くの研究が、低コスト、高効率太陽電池。

しばしば第3世代光電池と呼ばれる新興光電池は、

銅亜鉛スズ硫化物太陽電池(CZTS)、および誘導体CZTSeおよびCZTSSe
色素増感太陽電池は、「グレッツェル(Grätzel)セル」としても知られ、
有機太陽電池
ペロブスカイト型太陽電池
ポリマー太陽電池
量子ドット太陽電池

特に、ペロブスカイト電池の研究成果は、研究効率が最近20%を上回ったことから、大衆の注目を集めています。 また、幅広い低コストアプリケーションを提供します。 さらに、別の新興技術であるコンセントレータ型太陽電池(CPV)は、光学レンズおよび追跡システムと組み合わせて、高効率、多接合太陽電池を使用する。

効率性
1954年の最初の最新のシリコン太陽電池の発明によって、効率の段階的な改善が始まりました。2010年までに、これらの着実な改善により、太陽光線の12〜18%を電気に変換するモジュールが得られました。 次の図に示すように、効率性の改善は2010年から引き続き加速しています。

より新しい材料で作られたセルは、バルクシリコンよりも効率が低い傾向がありますが、製造コストは安いです。 それらの量子効率もまた、入射光子あたりの収集された電荷担体の数の減少により、より低くなる。

薄膜材料の性能と可能性は高く、セル効率は12〜20%に達する。 プロトタイプのモジュール効率は7〜13%です。 生産モジュールは9%の範囲内にあります。 最良の効率を有する薄膜電池プロトタイプは、パナソニックからの25.6%の従来の最良の太陽電池プロトタイプ効率に匹敵する20.4%(ファーストソーラー)をもたらす。

NRELは、量産時にはコストが100ドル/ m2を下回り、後に50ドル/ m2を下回ると予測していました。

世界最大のシス・ソーラー・エネルギー・プロバイダーであるソーラーフロンティアによって、22.3%の薄膜太陽電池効率の新しい記録が達成されました。 日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)との共同研究では、CIS技術を用いて0.5cm2セルで22.3%の変換効率を達成しました。 これは、業界の以前の21.7%の薄膜記録よりも0.6%ポイントの増加です。

吸収
細胞に入る光の量を増加させ、吸収することなく逃げる量を減少させるために、複数の技術が採用されている。 最も明白な技術は、細胞表面の上部接触カバレッジを最小化し、光が細胞に達するのを阻む領域を減少させることである。

弱く吸収された長波長の光は、シリコンに斜めに結合することができ、膜を数回横切って吸収を高める。

入射光子の数を細胞表面から反射させて減少させることによって吸収を増加させるために、複数の方法が開発されている。 付加的な反射防止コーティングは、表面コーティングの屈折率を変調することによってセル内に破壊的な干渉を引き起こす可能性がある。 破壊的干渉は反射波を除去し、入射光をすべてセルに入射させます。

表面テクスチャリングは、吸収を増加させるための別の選択肢ですが、コストが増加します。 例えば、反応性イオンエッチング(RIE)による黒色のシリコンテクスチャリングは、活性材料の表面上に堆積した材料の吸収を増加させる効果的かつ経済的なアプローチである。薄膜シリコン太陽電池。 テクスチャ付きのバック反射器は、光がセルの後部を通って漏れるのを防ぐことができる。

表面テクスチャリングに加えて、プラズモン光トラッピングスキームは、薄膜太陽電池の光電流増強を助けるために多くの注目を集めた。 この方法は、貴金属ナノ粒子中の励起された自由電子の集合振動を利用し、これは周囲の媒体の粒子形状、サイズおよび誘電特性によって影響される。

反射損失を最小限に抑えることに加えて、太陽電池材料自体は、それに到達する光子を吸収する可能性がより高くなるように最適化することができる。 熱処理技術は、シリコンセルの結晶品質を著しく向上させ、それによって効率を高めることができる。 薄膜太陽電池を積層して多接合太陽電池を作製することもできる。 各層のバンドギャップは、より広いスペクトルの光を共に吸収することができるように、異なる範囲の波長を吸収するように設計することができる。

幾何学的考察へのさらなる進歩は、ナノ材料の次元を利用することができる。 大きな平行なナノワイヤアレイは、半径方向に沿った短い少数キャリア拡散長を維持しながら、ワイヤの長さに沿って長い吸収長さを可能にする。 ナノワイヤ間にナノ粒子を添加することにより伝導が可能になる。 これらのアレイの自然な形状は、より多くの光をトラップするテクスチャ面を形成します。

生産、コスト、市場
近年の従来の結晶シリコン(c-Si)技術の進歩と、深刻な世界的な不況の後に続いたポリシリコン供給原料の低価格化に伴い、非晶質薄層-filmシリコン(a-Si)、テルル化カドミウム(CdTe)、および二セレン化銅インジウムガリウム(CIGS)の製造業者であり、数社の倒産につながった。 2013年現在、薄膜メーカーは中国のシリコンリファイナーや従来のc-Si太陽電池メーカーとの価格競争に直面しています。 特許を持つ企業の中には、コストの下で中国企業に売却されたものもある。

市場占有率
2013年には薄膜技術が世界的な展開の約9%を占め、91%が結晶シリコン(モノSiおよびマルチSi)によって保有されていました。 市場全体の5%を占めるCdTeは、薄膜市場の半分以上を占め、各CIGSとアモルファスシリコンに2%を残しています。18-19

CIGS技術
いくつかの著名な製造業者は、近年の従来のc-Si技術の進歩による圧力に耐えられませんでした。 Solyndra社はすべての事業活動を中止し、2011年に第11章破産申請を行い、CIGS製造業者でもあるNanosolarも2013年に閉鎖しました。両社ともCIGS太陽電池を生産しましたが、失敗は間に合わなかったSolyndraの円筒状基材のような欠陥のあるアーキテクチャを使用しているため、企業自体のためではありません。 韓国のLG電子は2014年にCIGSの太陽光発電事業再編に関する調査を中止し、Samsung SDIはCIGS生産を中止することを決めた。一方、中国のPV製造業者Hanergyは、15.5%の効率で650mm×1650mmのCIGS-モジュール。 CI(G)S太陽光発電の最大の生産者の1つは、ギガワット規模の製造能力を持つ日本の会社Solar Frontierです。 (CIGS企業一覧も参照)。

CdTe技術
CdTeのリーディングカンパニーであるFirst Solar社は、砂漠太陽光発電所とTopaz Solar Farmのような世界最大の太陽光発電所のいくつかを、それぞれ550MWの容量を持つカリフォルニアの砂漠に建設しています。南半球最大の太陽光発電所であるオーストラリアにある102メガワットのNynganソーラー工場は、2015年に建設を開始しました。
2011年、GEは新しいCdTe太陽電池プラントに6億ドルを投資し、この市場に参入する計画を発表し、2013年にFirst Solar社はGEのCdTe薄膜知的財産ポートフォリオを買収し、ビジネスパートナーシップを結成しました。 2012年にカドミウムテルライドモジュールのメーカーであるAbound Solarが破産しました。

a-Si技術
かつてアモルファスシリコン(a-Si)技術の世界有数のメーカーであったECDソーラーは2012年、米国ミシガン州で破産申請を行いました。 Swiss OC Oerlikonはa-Si /μc-Siタンデムセルを生産した太陽電池部門を東京エレクトロン株式会社に売却した。 2014年に、日本のエレクトロニクスおよび半導体企業は、マイクロモルフ技術開発プログラムの終了を発表しました。 「Micromorph」は、アモルファス層(a-Si /μ-Si)上に微結晶シリコン層を用いたソーラータンデムセルの商品名である。
アモルファスシリコン薄膜を残した他の企業には、デュポン、BP、Flexcell、Inventux、Pramac、Schuco、Sencera、EPV Solar、NovaSolar(旧OptiSolar)、Suntech Powerなどがあり、2010年に従来のシリコンソーラーパネル。 2013年に、Suntechは中国で破産申請した。 2013年8月、薄膜a-Siおよびa-Si /μ-Siのスポット市場価格は、1ワットあたり0.36ユーロ(約0.50ドルおよび0.60ドル)にそれぞれ下落した。

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