미국 FirstSolar는 양산라인에서 시험제작한 CdTe(cadmium telluride) 박막 태양전지 모듈의 변환효율이 17.0%에 도달하였다고 발표하였다. 이것은 이 기술의 세계 기록이다. 동시에 투자가를 위한 설명회에서 변환효율의 로드맵을 상방으로 수정하고 비용의 예상치를 하방으로 수정하였다.

태양전지 모듈의 표면에는 주변영역 등 발전에 기여하지 않는 부분이 있다. 그래서 실제 발전이 가능한 부분의 면적(개구부 면적)에 관해서 효율을 계산하면, 17.5%에 이른다. 반대로 말하면, 이 기록은 작은 크기의 셀 및 개구부 면적만을 측정하여 과대평가한 것이 아니라, 양산품과 동일한 크기의 모듈로 달성한 현실적인 수치이다.

이번 태양전지 모듈은 이 회사의 연구개발센터에서 제조된 것이다. 양산프로세스를 적용하고 재료도 양산시와 동일하다. 양산라인에 개발한 신기술을 한 단계씩 적용하여 조금씩 성능을 향상시키고 있으며, 이번 성과는 이러한 신기술을 몇 종류 결합시킨 결과이다. 2014년 2월에 CdTe 태양전지 셀의 변환효율 20.4%라는 세계기록을 수립하였으며, 시제품 셀을 만들어낸 기술이 모듈의 변환효율을 향상시키는 데 도움이 되었다.

그림 1은 NREL(Natontional Renewable Energy Labortary)이 정기적으로 내용을 갱신하고 있는 태양전지 셀의 세계 기록으로, 녹색 원 안의 황색이 CdTe 태양전지 기록이다. 녹색 원은 CISG 박막 태양전지(20.8%), 파란 삼각형은 실리콘 박막 태양전지(20.1%)를 나타내고 있다.

 

이 세 종류가 박막 태양전지로서 양산되고 있다. 그리고 파란 사각형은 단결정 실리콘 태양전지(25.0%), 파란 원은 HIT 태양전지(24.7%), 파란 빈 사각형은 다결정 실리콘 태양전지(20.4%)이다. 이상 여섯 종류가 가정의 지붕 및 메가솔라에 많이 이용되고 있는 태양전지의 기록이다.

 

박막 태양전지 모듈은 레이저에 의한 금긋기와 같은 공정을 몇 번 이용하여 한 장의 유리 기판 위에 다수의 셀을 제조하고 있다. 셀 사이에 태양광을 이용할 수 없는 미세한 틈이 생기기 때문에 모듈의 변환효율은 반드시 셀 변환효율보다 낮아진다.

FirstSolar는 CdTe 태양전지 모듈의 세계 기록을 발표한 날, 투자자를 위한 설명회를 개최하였다. 변환효율의 로드맵 및 제조비용의 목표 등을 구체적인 수치로 나타내었다. 우선 변환효율의 경우, 이 회사는 NREL의 자료로부터 양산규모가 큰 태양전지기술에 관해 셀 변환효율의 동향을 세 가지 도출하였다.

 

그리고 CdTe 태양전지 셀의 변환효율이 앞으로 어떻게 향상될 것인지에 대한 경향을 나타내었다. 단결정 실리콘 태양전지 셀(파란 사각형) 및 다결정 실리콘 태양전지 셀(빈 사각형)의 경우, 변환효율의 기록이 최근 10년간 전혀 갱신되지 않았다. 그것에 비해 CdTe 태양전지 셀의 효율은 2011년 이후 급속하게 개선되고 있으며, 이 경향을 연장하면 2017년에는 단결정 실리콘 태양전지를 따라 잡을 수 있다.

그림 2는 단지 외삽으로 예측한 것이며, 그림 3은 소면적 셀 및 시제품 모듈, 양산 모듈에 대해 연도별로 구체적인 수치를 제시한 것이다. 그림 3의 왼쪽 끝을 보면, 연구실 시제품 수준인 소면적 셀, 시제품 모듈, 양산 모듈(양산품 중 가장 성능이 높은 것), 양산 모듈(평균치)이 제시되어 있다.

 

각각의 상단에 있는 숫자는 2013년 시점의 예전 로드맵이고 하단은 2014년 3월 시점의 새로운 로드맵이다. 2014년 시점의 셀 변환효율은 20%로 변하지 않지만, 그 이후는 기존과 비교하여 1포인트씩 높아지고 있어 2017년에는 24%에 도달한다. 이것은 단결정 실리콘 태양전지 셀과 유사한 성능이다.

시제품 모듈 및 양산 모듈의 변환효율 예측도 각각 기존보다 높아져 있다. 2017년에는 21.1%라는 높은 변환효율의 모듈을 양산할 수 있을 것으로 예상하였다. 양산품의 평균치도 19.5%이다. 이것은 2013년 로드맵에 나타낸 값보다 2, 3포인트 높다.

이상이 CdTe 박막 태양전지의 성능에 관한 로드맵이다. 태양전지 모듈의 비용에 관한 예측결과를 보면, 2013년 전체 모듈이 평균치는 0.63달러(0.5+0.13)이다. 이것이 2018년도에는 1/2 근처까지 내려간다.

 

비용저감에 가장 효과적인 것은 변환효율의 향상이지만, 변동비의 억제 및 제조효율의 개선도 효과적이다. 그 결과 2013년도에 1W당 1.58 달러였던 시스템비용은 2017년도에 0.99달러에 도달할 것이다. 이것은 태양광 트레킹시스템 및 메가솔라에서 1,500V 대응시스템을 채용함으로써 실현할 수 있다.

 

 

 

　FirstSolarはCdTe太陽電池モジュールの世界記録について発表した同じ日に、投資家向けの説明会を開催した。変換効率のロードマップや、製造コストの目標などを具体的な数字を交えて示している。

 

 

　まずは変換効率だ。同社はNRELの資料から量産規模の大きな太陽電池技術についてセル変換効率の動向を3つ抜き出した。その上でCdTe太陽電池セルの変換効率が今後どのように向上していくのか、傾向を示した（図2）。単結晶シリコン太陽電池セル（青い四角）や多結晶シリコン太陽電池セル（白抜きの四角）は変換効率の記録がこの10年間全く更新されていない。それに対して、CdTe太陽電池セルは2011年以降、急速に効率を改善しており、この傾向を延長すると、2017年には単結晶シリコン太陽電池に追い付いてしまう。
 

 

                 図2　CdTe太陽電池の変換効率の将来予測　出典：FirstSolar
 

　図2は単なる外挿にすぎない。そこで、小面積セルや試作モジュール、量産モジュールについて年度ごとに具体的な数字を挙げた（図3）。

 

　図3の左端を見ると、研究室の試作レベルにある小面積セル、試作モジュール、量産モジュール（量産品のうち一番性能が高いもの）、量産モジュール（平均値）が描かれている。それぞれの上段にある数字は2013年時点の古いロードマップ。下段は2014年3月時点の新しいロードマップだ＊2）。2014年時点のセル変換効率はどちらの数字も20％と変わらないが、それ以降は従来と比較して1ポイントずつ高くなっており、2017年には24％に到達するとした。これは単結晶シリコン太陽電池セルに迫る性能だ。

 

　試作モジュールや量産モジュールの変換効率の予測もそれぞれ従来よりも高くなっている。2017年には21.1％という高い変換効率のモジュールを量産できるようになる見込みだ。量産品の平均値でも19.5％だ。これは2013年にロードマップで示した値よりも2.3ポイントも高い。

 

＊2） 太陽電池モジュールを量産すると、1枚1枚の変換効率は一定の値を採らず、正規分布をなす。図3の3段目と4段目の間に右下がりの線が描かれているのは、モジュール量産において、最高性能の製品（正規分布の右端）を作り出す技術が1年後には安定し、最も生産数量が多くなること（正規分布の中央になること）を意味している。
 

           図3　CdTe太陽電池の変換効率に関するロードマップ　出典：FirstSolar
 

　以上が、CdTe薄膜太陽電池の性能に関するロードマップだ。同社は合わせてコストに関する予測も見せた。図4は太陽電池モジュールのコスト予想だ。出力1W当たりの数値である。2013年度の全モジュールの平均値は0.63米ドル（0.5＋0.13）。これが、2018年度には2分の1近くまで下がるとした。コスト低減に最も有効なのは変換効率の向上だが、変動費の抑制や製造効率の改善も大きく効くとした。

 

その結果、2013年度に1W当たり1.58米ドルだったシステムコスト（モジュールコスト＋BOS）は2017年度には1米ドルを割り、0.99米ドルに到達するという。太陽光のトラッキングシステムや、メガソーラーにおける1500V対応のシステム構成の採用によって実現できるという。
 

 

         図4　CdTe太陽電池モジュールのコストの見込み　出典：FirstSolar