三大PVセル技術を理解する：

2026-06-24
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三大PVセル技術を理解する：

簡単な回答： 現在生産されている主要な太陽電池技術はPERC、TOPCon、ヘテロ接合（HJT）の3つであり、バックコンタクト構造がそれらを基盤とする第4のファミリーを形成しています。これらは、シリコンウェハーではなくセル表面で起こることによって区別され、シリコンウェハーはどの場合も概ね同じN型またはP型材料です。PERCはp型セルにパッシベーション層と局所的な裏面コンタクトを追加します。TOPConは裏面を、厚さ約10 nmのドープされたポリシリコン層の下にある約2 nmの超薄トンネル酸化膜に置き換え、これが表面をパッシベーションし、キャリアをトンネル通過させます。HJTは両面に薄いアモルファスシリコン層を堆積させ、より低いプロセス温度を必要とします。これらの違いは効率、温度係数、ライン互換性、コストに現れ、それぞれがメーカーの設備選択を左右します。

PV モジュール製造 · Jerry、Ooitech 著

はじめに

太陽光発電技術は過去10年間で急速に進化し、複数の競合するセルアーキテクチャが効率を新たな高みへと押し上げてきました。本記事では、太陽電池の基本的な動作原理を解説した後、今日の業界を形作る3つの主要な次世代技術を詳しく説明し、最後にセル製造における品質管理について見ていきます。

太陽光発電セルの仕組み

太陽電池は光を電気に変換しますが、入射するすべての光子が等しく寄与するわけではありません。エネルギーがどこで失われるかを理解することが、より優れたセルを造るための第一歩です。

バンドギャップより低いエネルギーの光子は吸収されず、そのままセルを通過します。
バンドギャップより高いエネルギーの光子は吸収されて電子-正孔対を生成しますが、高エネルギー光子の余剰エネルギーは一部が熱として失われます。
生成されたキャリアの電荷分離と輸送では、pn接合において損失が生じます。
キャリア輸送中に再結合損失が発生します。
接触抵抗は電圧降下を引き起こし、接触電圧損失をもたらします。

PVセルの損失メカニズム TOPCon, HJT, and Perovskite"/>

電気的損失の低減

結晶構造が良好で適切なタイプのウェーハを選択する。
理想的なpn接合形成技術を開発する。
理想的なパッシベーション技術を開発する。
合理的な金属コンタクト技術を採用する。
優れた前面および裏面電界技術を適用する。

光学的損失の低減

光学的損失を削減しセル効率を高めるため、業界はさまざまな光閉じ込めアプローチと技術を開発してきました。これには、反射を減らすためのウェーハの表面テクスチャリング、前面反射防止コーティング、裏面反射コーティング、そしてグリッド線の遮蔽面積の最小化が含まれます。

TOPCon

TOPConは、パッシベーテッドコンタクト技術としても知られ、PERCに続く次世代太陽電池技術として広く認識されています。HJTやIBCなどの他の潜在的な新技術と比較して、TOPConは既存のPERCまたはPERTラインから直接アップグレードすることができます。その結果、既存の生産ラインをアップグレードしたいメーカーは、比較的低い設備投資で済み、なおかつ約1%の確実な効率向上を達成できます。

TOPConセルの表面は、従来のN型またはN-PERTセルと本質的に同じで、ホウ素（p+）エミッタ、パッシベーション層、反射防止層で構成されています。核心技術は裏面のパッシベーテッドコンタクトにあります。ウェハの裏面には、超薄い酸化層（1～2 nm）とリンをドープした微結晶/アモルファス混合シリコン薄膜が形成されています。両面発電用途では、メタライゼーションは表面にAgまたはAg-Alグリッド、裏面にAgグリッドをスクリーン印刷することで行われます。

TOPConセル構造

Tunnel Oxide Passivated Contact

トンネル酸化膜パッシベーテッドコンタクト（TOPCon）は、25.7%という高い変換効率を達成するため、最近大きな注目を集めています。TOPCon構造は、薄いトンネル酸化膜とリン（P）ドープポリシリコンコンタクト層で構成されています。Pドープポリシリコン層は、a-Si:Hを結晶化するか、LPCVDを用いてポリシリコンを直接堆積することによって作製できます。TOPConは、高効率太陽電池技術の中で有望な候補として際立っています。

HJTヘテロ接合

ヘテロ接合技術（HJT）は、過去10年間で台頭してきた太陽電池パネルの製造方法です。現在、効率と出力を高いレベルに押し上げるための最も効果的なプロセスの一つであり、業界の主流であるPERC技術の性能を上回ることもあります。HJTセルは、結晶シリコンとアモルファス薄膜という2つの異なる技術を1つに組み合わせています。これらの技術を併用することで、どちらか一方だけを使用するよりも多くのエネルギーを収穫でき、25%以上の効率に達します。

HJTセル構造

単結晶ウェハを基板として、洗浄およびテクスチャ加工されたウェハの表面に、真性a-Si:H膜5～10 nm、続いてp型a-Si:H膜を順に堆積させ、p-nヘテロ接合を形成します。ウェハの裏面には、真性膜5～10 nmとn型a-Si:H膜を堆積させて裏面電界を形成します。次に透明導電性酸化物膜を堆積させ、最後にスクリーン印刷で両面の上部に金属集電電極を作製し、対称的なHJT太陽電池を構築します。

HJTセル構造

HJTセルの利点

柔軟性と適応性 — この技術は、過酷な気象条件下でも優れた生産能力を発揮するために開発されました。HJTパネルは従来のパネルよりも温度係数が低く、高い外気温でも高性能を確保します。
期待寿命 — 平均して、薄膜PVモジュールは最大25年持続し、HJTセルは30年以上正常に動作し続けることができます。

HJTパネルの用途

より高い効率 — 現在市場に出回っているほとんどのヘテロ接合パネルの効率は19.9%から21.7%の間であり、他の従来の単結晶セルと比較して大幅な改善です。
コスト削減 — HJTパネルに使用されるアモルファスシリコンは、コスト効率の高いPV技術です。他の技術と比較して、この薄膜太陽光アプローチは製造時間が短縮されます。簡素化されたプロセスにより、HJTは代替ソリューションよりも手頃な価格です。

ペロブスカイト

2009年、ペロブスカイト材料は初めて4%の光起電力効率を達成するために使用されました。2021年までに、単接合ペロブスカイト太陽電池（PSC）は25.5%の効率に達しました。ペロブスカイトセルの急速な改善は、PV分野の新星となり、学界で大きな関心を呼んでいます。その動作方法はまだ比較的新しいため、ペロブスカイトの基礎となる物理学と化学をさらに研究する機会が豊富にあります。

ペロブスカイトセルの構造

最も先進的なペロブスカイト太陽電池構造は、透明導電性酸化物、電子輸送層（ETL）、ペロブスカイト、正孔輸送層（HTL）、金属電極の5つのコンポーネントに基づいています。これらの界面における異なる材料のエネルギー準位と相互作用を理解し最適化することは、現在も活発に議論されている非常にエキサイティングな研究分野です。

ペロブスカイトセル構造

CaTiO3

ペロブスカイトは鉱物の名前で、1839年にロシアの地質学者ペロフスキーにちなんで、ウラル山脈の岩石鉱物中でローズによって発見されました。ペロブスカイト材料は、キャリア再結合確率が低く、キャリア移動度が高い傾向があり、太陽電池に理想的な材料です。

ペロブスカイト鉱物

ペロブスカイト膜の形成方法

ペロブスカイト太陽電池の電力変換効率を向上させる鍵は、膜の形態を最適化することにあります。実験室で一般的に用いられる成膜方法は、ワンステップ法またはツーステップ法による堆積です。大面積で低コストのペロブスカイト膜の需要に応えるため、スロットダイコーティング、印刷、スプレーなどの加工装置もペロブスカイト太陽電池の作製に使用されています。

ペロブスカイト膜の形成

ペロブスカイトの未来

ペロブスカイトに関する将来の研究は、パッシベーションや欠陥低減などの戦略を通じて再結合を減らすこと、および二次元ペロブスカイトやより最適化された界面材料を取り入れることで効率を向上させることに焦点を当てる可能性が高いです。電荷抽出層は、効率と安定性を向上させるために、有機材料から無機材料へと移行する可能性があります。安定性の向上と環境への影響の低減は、引き続き重要な領域です。