[일본] CIGS 태양전지 서브 모듈로 변환효율 18.34% 달성
양산화 위한 CIGS 태양전지 모듈 고효율화 및 고기능화 기대
독립행정법인 산업기술종합연구소 태양광발전공학연구센터 첨단산업프로세스 고효율화팀은 CIGS 태양전지 서브 모듈로서 처음으로 18%를 상회하는 변환효율 18.34%(지정면적: 3.576cm2)를 달성하였다.
CIGS 태양전지는 2μm 정도의 얇은 광흡수층으로 충분한 광흡수를 얻을 수 있으며, 기판에 저렴한 유리 및 금속박막 등이 이용 가능하기 때문에 저비용 및 높은 변환효율을 얻을 수 있는 태양전지로서 주목을 받고 있다.
또한 최근에는 공장 생산라인에서 제조된 태양전지 모듈(125.7× 97.7㎠)에서 14.6%의 변환효율을 달성하는 등 양산 수준에서의 태양전지 모듈도 변환효율이 향상되었다. 일반적으로 태양전지 모듈의 변환효율(세계 최고 효율: 15.7%)은 소면적 단일 셀(세계 최고 효율: 20.4%)과 비교해 낮지만 모듈과 소면적 단일 셀로서는 제조방법 및 구조의 차이 등 다른 점이 많고 변환효율의 손실원인 등이 복잡하다.
산업기술종합연구소에서는 다원증착법을 이용한 CIGS 태양전지 광흡수층의 고품질 제막기술 개발을 수행해 왔다. 제막과정에서 제막온도, 원료공급비 등 제막조건의 최적화를 진행하여 소면적 단일 셀로는 세계 최고 수준인 약 20%의 변환효율(자가측정으로 19.8%)을 얻을 수 있는 조건을 확립하였다.
또한 동시에 소면적 단일 셀과 모듈의 중간적인 위치인 태양전지 서브 모듈의 연구를 통해 집적화에 따른 본질적인 변환효율 손실요인의 탐구 및 개선을 추진하고 있다. 시판품에서도 사용되는 레이저 스크라이빙, 메커니컬 스크라이빙이라는 집적화 공정을 채용하여 고도화함으로써 집적화에 따른 특성 손실을 억제하여 2011년에 유리기판 위에 태양전지 서브 모듈로 16.6%라는 세계 최고 수준의 변환효율을 달성하였다.
또한 플렉시블 기판을 이용한 태양전지 서브 모듈로 15.9%를 달성하였다. 이번에 추가로 집적화 구조의 고도화 및 개량을 추진하여 그 집적화 기술과 고품질 CIGS 광흡수층 제막기술을 집약하였다.
CIGS 태양전지에서 일반적으로 이용되고 있는 소다석회 유리기판을 이용하여 CIGS 태양전지 서브 모듈을 제조하였다. 광흡수층에는 고성능 CIGS 제막기술을 집약하여 표면에 마이크로 수준의 굴곡이 적은 표면 평탄성이 우수하고 균질한 고품질의 광흡수층을 제조하였다.
이번에 제조한 태양전지 서브 모듈의 단면도를 보면, 4개의 태양전지 셀을 직렬로 접합시킨 집적구조를 가진다. 이 집적구조는 (P1) 몰리브덴(Mo) 표면전극을 레이저 스크라이빙으로 자르고, (P2) 버퍼층/CIGS 광흡수층을 메커니컬 스크라이빙으로 잘랐으며, (P3) 투명도전막/버퍼층/CIGS 광흡수층을 메커니컬 스크라이빙으로 자르는 방법을 이용하여 형성하였다.
이러한 스크라이빙된 영역은 태양전지의 광전류 생성에 기여하지 않는 영역이 되어 광전류의 손실원인이 된다. 이번에 스크라이빙 조건, 패턴 형태 등 최적화를 추진하여 집적화 공정에 의해 도입된 전기적 손실을 최소한으로 억제하고 데드지역(dead area)의 저감에 의해 광학적 손실을 저감하였다.
높은 집적화 기술과 고품질 CIGS 광흡수층 제막기술을 융합시킨 결과, CIGS 태양전지 서브 모듈로서 처음으로 18%를 상회하는 변환효율인 18.34%(개방전압: 2.963V, 광단락전류: 29.05mA, 곡선인자: 76.2%, 지정면적 3.576㎠)를 실현하였다. 이번 연구로 확립된 높은 집적화기술 및 고품질 광흡수층 제막기술은 대면적 태양전지 모듈 및 플렉시블 태양전지 모듈 등으로 널리 응용될 것으로 기대한다.
[원문보기]
CIGS太陽電池サブモジュールで変換効率18.34 %を達成
量産化に向けたCIGS太陽電池モジュールの高効率化・高機能化に期待
独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）太陽光発電工学研究センター【研究センター長 仁木 栄】先端産業プロセス・高効率化チーム 柴田 肇 研究チーム長、上川 由紀子 産総研特別研究員、小牧 弘典 研究員らはCIGS太陽電池サブモジュールとして初めて18 %を上回る変換効率η=18.34 %（指定面積：3.576 cm2）を達成した。
一般的に、CIGS太陽電池モジュール、太陽電池サブモジュールでは、薄膜太陽電池の特性を生かした集積構造が用いられる。産総研では、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のプロジェクトのもと、集積化工程に伴う電気的・光学的損失を低減するための、集積化技術の向上・最適化を進めてきた。また、CIGS光吸収層の高品質化にも取り組んできた。今回、これまでに確立した高品質光吸収層製膜技術と高い集積化技術の集約により、CIGS太陽電池サブモジュールとして初めて18 %を上回る高い変換効率を達成した。今回開発した技術は、太陽電池モジュールの変換効率向上の鍵となる要素技術であり、大面積太陽電池モジュールや、フレキシブル太陽電池モジュールなどへ広く応用できる。量産化レベルの太陽電池モジュールの変換効率の向上、またそれによる発電コストの低減、太陽電池モジュールの高機能化などへの貢献が期待される。
変換効率18.34 %のCIGS太陽電池サブモジュールの
外観(基板サイズ：3 cm × 2 cm)
■ 開発の社会的背景
CIGS太陽電池は2 µm程度の薄い光吸収層で十分な光吸収が得られること、基板には安価なガラスや金属薄膜などが利用可能であることなどから、低コストかつ高い変換効率が得られる太陽電池として注目されている。また、最近では、表1に示すように工場生産ラインにおいて製造された太陽電池モジュール（125.7 × 97.7 cm2）で14.6 %の変換効率が達成されるなど、量産レベルでの太陽電池モジュールにおいても変換効率が向上している。一般的に太陽電池モジュールの変換効率（世界最高効率：15.7 %）は小面積単一セル（世界最高効率：20.4 %）と比べ低くなってしまうが、モジュールと小面積単一セルとでは製造方法や構造の違いなど異なる点も多く、変換効率の損失原因の解明を複雑にしている。
| 表1 CIGS太陽電池の構造（1行目）および、各構造においてこれまでに報告されている主要な変換効率（2行目）およびその面積（3行目） |
| 小面積単一セル |
太陽電池
サブモジュール
（今回の成果） |
太陽電池
サブモジュール |
太陽電池
モジュール |
太陽電池
モジュール
（工場生産ライン） |
| 20.4 % |
18.3 % |
17.4 % |
15.7 % |
14.6 % |
| - |
3.576 cm2 |
15.993 cm2 |
- |
12280.89 cm2 |
大きさ
 |
■ 研究の経緯
産総研では、多元蒸着法を用いたCIGS太陽電池光吸収層の高品質製膜技術の開発に取り組んできた。製膜中の製膜温度、原料供給比などの製膜条件の最適化を進め、小面積単一セルでは、世界最高クラスの約20 %の変換効率（自家測定にて19.8 %）が得られる条件を確立している。また同時に、小面積単一セルとモジュールの中間的な位置づけにある太陽電池サブモジュールの研究を通して、集積化に伴う本質的な変換効率損失要因の探求・改善を進めている。
市販品でも使用されるレーザースクライビング、メカニカルスクライビングといった集積化工程を採用し、高度化することで、集積化に伴う特性損失を抑え、2011年にガラス基板上の太陽電池サブモジュールで16.6 %と世界最高クラスの変換効率を達成している。また、フレキシブル基板を用いた太陽電池サブモジュール作製技術の開発も行っており、2010年2月に集積型構造のフレキシブル太陽電池サブモジュールで15.9 %を達成している(2010年2月25日 産総研プレス発表)。今回、さらに集積化構造の高度化・改良を進め、その集積化技術と高品質CIGS光吸収層製膜技術を集約した。
なお、今回の研究開発は、NEDOの委託事業「太陽光発電システム次世代高性能技術の開発（平成22～26年度）」により行ったものである。
■ 研究の内容
CIGS太陽電池で一般的に用いられるソーダ石灰ガラス基板を用いて、CIGS太陽電池サブモジュールを作製した。光吸収層には、これまで培ってきた高性能CIGS製膜技術を集約し、表面のミクロなくぼみ（ボイド）が少ない表面平坦性に優れた、均質かつ高品質な光吸収層を作製した（図1）。
図1 走査型電子顕微鏡により撮影したCIGS光吸収層表面像（左）とCIGS光吸収層
/モリブデン裏面電極 断面像（右）
今回作製した太陽電池サブモジュールの断面概略図を図2に示す。4つの太陽電池セルを直列に接合した集積構造を持つ。この集積構造は、（P1）モリブデン（Mo）裏面電極のレーザースクライビングによる切り分け、（P2）バッファー層/CIGS光吸収層のメカニカルスクライビングによる切り分け、（P3）透明導電膜/バッファー層/CIGS光吸収層のメカニカルスクライビングによる切り分けからなる方法によって形成される。
図2 今回作製した太陽電池サブモジュール断面概略図
これらのスクライビングされた領域は太陽電池の光電流生成に寄与しない領域（デッドエリア）となり、光電流の損失原因となる。今回、スクライビング条件、パターン形状などの最適化を進め、集積化工程により導入される電気的損失を最小限に抑えるとともに、デッドエリアの低減により光学的損失を低減した。高い集積化技術と高品質CIGS光吸収層製膜技術を融合した結果、CIGS太陽電池サブモジュールとして初めて18 %を上回る変換効率η=18.34 %（開放電圧：2.963 V、 光短絡電流：29.05 mA、 曲線因子：76.2 %、指定面積：3.576 cm2）を今回実現した（図3）。
図3 今回作製されたCIGS太陽電池サブモジュールの発電特性
今回の研究で確立された、高い集積化技術および高品質光吸収層製膜技術は、大面積太陽電池モジュールや、フレキシブル太陽電池モジュールなどへ広く応用展開が期待される。
今回作製されたサブモジュールの変換効率を独立機関で評価した際の公式記録データ。グラフの赤線が電流－電圧特性、緑線が出力－電圧特性を示し、ピークが最大出力になっている。図中のEff(da)は変換効率、VOCは開放電圧、F.Fは曲線因子、ISCは短絡電流を表す。
■ 今後の予定
今回の研究で確立されたモジュール作製における要素技術をより大きな面積のCIGS太陽電池サブモジュールやフレキシブル太陽電池サブモジュールに応用し、CIGS太陽電池サブモジュールの高効率化・高機能化を進める予定である。
■ 用語の説明
◆CIGS太陽電池銅(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薄膜を光吸収層とした薄膜系太陽電池。インジウムやガリウム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。CIGS太陽電池は薄膜系太陽電池の中でも最も高い光変換効率が得られており、以前から次世代型太陽電池として注目されていた。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。[参照元へ戻る]
◆太陽電池サブモジュール分割できない一つの基板に複数個同時に形成した太陽電池セル群の最小単位。文中のCIGSサブモジュールとはCIGS太陽電池セルを直列に接合、集積化し、取出し電極を取り付けた構造を指す。[参照元へ戻る]
◆指定面積疑似太陽光を照射し変換効率を測定する際には、ある面積の開口部を持ったマスクなどを用い、光が照射される領域を限定して測定する場合がある。今回の測定では、取り出し電極部分（＋およびー）がマスクの影に入っており、このように光に照射されていない構成部がある場合のマスクの開口部により限定された領域の面積が指定面積（Designated Area: da）である。[参照元へ戻る]
◆太陽電池モジュール太陽電池モジュールとは太陽電池セルまたは太陽電池サブモジュールを、耐環境性のため外囲器に封入し、かつ、規定の出力を持たせた最小単位の発電ユニットを指す。CIGS太陽電池モジュールは、一般的にガラス基板上に裏面電極、光吸収層、透明導電膜を製膜・集積し、その上に封止材と透明なカバー材（ガラスや光透過性フィルム）を積層し、電気出力を外部取出し用端子ボックス内の端子につなぎ、四辺にフレームを取り付けるなどして作製される。[参照元へ戻る]
◆集積構造一般的なCIGS太陽電池における集積構造は（P1）モリブデン（Mo）裏面電極のレーザースクライビングによる切り分け、（P2）バッファー層/CIGS光吸収層のメカニカルスクライビングによる切り分け、（P3）透明導電膜/バッファー層/CIGS光吸収層のメカニカルスクライビングによる切り分けからなる方法によって形成される。この方法では、1枚の基板上に裏面電極層や光吸収層のパターンをつくりこむことによって個々の太陽電池間の接続を行うため太陽電池表面のグリッド電極や導線が不要となる。また、1枚の基板で高い電圧が実現できる。[参照元へ戻る]
◆多元蒸着法薄膜作製法の一種である真空蒸着において、多種類の蒸発源を同時に供給する製膜方法。[参照元へ戻る]
◆レーザースクライビング1枚の基板上に集積構造のCIGS太陽電池を作製する場合、通常は3回の切り分け工程が必要となる。この切り分け工程はスクライビング工程やパターニング工程と呼ばれる。現在のところ一般的に、裏面電極であるモリブデン層を切る1回目の工程(P1)はレーザーを用いて行われる。これをレーザースクライビングと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆メカニカルスクライビングCIGS層や透明導電膜を切り分ける2回目(P2)と3回目(P3)の工程では機械的（メカニカル）にカッターの刃などを用いて行われ、これらの工程をメカニカルスクライビングと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆ソーダ石灰ガラス窓ガラスや、瓶ガラスなどに使われる一般的なガラス。ソーダ灰(Na2CO3）、石灰(CaCO3)、ケイ灰(SiO2)を主な原料とする。[参照元へ戻る]
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