3つの主要PVセル技術の理解···

2026-06-24
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主要なPVセル技術の理解：TOPCon、HJT、ペロブスカイト

はじめに

太陽光発電技術は過去10年間で急速に進化し、いくつかの競合するセル構造が効率を新たな高みへと押し上げています。この記事では、太陽電池の基本的な動作原理を説明し、次に今日の業界を形成している3つの主要な次世代技術を詳しく解説し、最後にセル生産における品質管理について考察します。

太陽光PVセルの仕組み

太陽電池は光を電気に変換しますが、すべての入射光子が均等に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、より良いセルを構築するための第一歩です。

バンドギャップ以下のエネルギーを持つ光子は吸収されず、セルを通過するだけです。
バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子は吸収され、電子-正孔対を生成しますが、高エネルギー光子の過剰エネルギーは一部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は、pn接合で損失を引き起こします。
キャリア輸送中に再結合損失が発生します。
接触抵抗により電圧降下が生じ、接触電圧損失が発生します。

PVセルの損失メカニズム

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します。
理想的なpn接合形成技術を開発します。
理想的なパッシベーション技術を開発します。
合理的な金属コンタクト技術を採用します。
優れた表面および裏面フィールド技術を適用します。

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に、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表面テクスチャリング、表面反射防止コーティング、裏面反射コーティング、およびグリッドラインの遮光面積の最小化が含まれます。

TOPCon

TOPConは、パッシベーションコンタクト技術とも呼ばれ、PERCに次ぐ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、比較的低い資本投資で済み、約1%の確実な効率向上を達成できます。

TOPConセルの前面は、従来のN型またはN-PERTセルと基本的に同じで、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。中核技術は背面のパッシベーションコンタクトにあります。ウェーハの背面には、超薄型酸化層（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。両面受光型アプリケーションでは、前面にAgまたはAg-Alグリッド、背面にAgグリッドをスクリーン印刷してメタライゼーションを行います。

TOPConセル構造

トンネル酸化膜パッシベーションコンタクト

トンネル酸化膜パッシベーションコンタクト（TOPCon）は、25.7%の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）をドープした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を使用してポリシリコンを直接堆積することで作製できます。TOPConは、高効率太陽電池技術の中でも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光パネルの製造方法です。現在、効率と出力を高水準に引き上げる最も効果的なプロセスの1つであり、業界の主流であるPERC技術の性能を上回ることさえあります。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、単独で使用するよりも多くのエネルギーを収穫でき、25%以上の効率を達成します。

HJTセル構造

単結晶ウェーハを基板として使用し、洗浄およびテクスチャリングされたウェーハの前面に、5〜10 nmの真性a-Si:H膜、続いてp型a-Si:H膜を順に堆積して、p-nヘテロ接合を形成します。ウェーハの背面には、5〜10 nmの真性膜とn型a-Si:H膜を堆積して裏面電界を形成します。次に透明導電性酸化膜を堆積し、最後にスクリーン印刷で両面の上部に金属コレクタ電極を作成して、対称な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、極端な気象条件下でも優れた生産能力を発揮できるよう開発されました。HJTパネルは従来のパネルよりも温度係数が低く、外気温が高い場合でも高い性能を保証します。
期待寿命 — 平均して、薄膜PVモジュールは最長25年間使用できますが、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

高効率 — 現在市場に出回っているヘテロ接合パネルのほとんどは、効率が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となっています。
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くて済みます。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が初めて使用され、4%の光起電力効率を達成しました。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により、それらはPV分野の新星となり、学界で大きな関心を集めています。それら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。これらの界面での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、非常にエキサイティングな研究分野であり、現在も活発に議論されています。

ペロブスカイトセルの構造

CaTiO3

ペロブスカイトは鉱物の名前で、1839年にローズによってウラル山脈の岩石鉱物から発見され、ロシアの地質学者ペロフスキーにちなんで名付けられました。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となっています。

ペロブスカイト鉱物

ペロブスカイト薄膜形成方法

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、膜形態の最適化にあります。実験室で一般的に使用される成膜方法は、一段階または二段階のプロセス堆積です。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、スプレーなどの処理装置もペロブスカイト太陽電池の製造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による再結合の低減、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の組み込みによる効率向上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移行する可能性があります。安定性の向上と環境影響の低減は、重要な分野であり続けます。