引言

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アーキテクチャが効率を新たな高みに押し上げています。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する3つの主要な次世代技術を解説し、最後にセル生産における品質管理について考察します。

太陽光発電セルの仕組み

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、より優れた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の光子は吸収されず、セルを通過します。

• バンドギャップ以上のエネルギーの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。

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。

• 優れた表面電界技術を適用します。

光学的損失の低減

光学損失を低減しセル効率を向上させるため、業界ではさまざまな光閉じ込め手法と技術が開発されてきました。これには、反射を低減するためのウェ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、グリッドラインの遮光面積の最小化などが含まれます。

TOPCon

TOPConは、パッシベーションコンタクト技術としても知られ、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。そのため、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、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+）エミッター、パッシベーション層、反射防止層で構成されています。中核技術は裏面のパッシベーションコンタクトにあります。ウェハの裏面には、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ます。両面受光用途では、前面に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してメタライゼーションを行います。

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）ドープ多結晶シリコンコンタクト層で構成されています。Pドープ多結晶シリコン層は、a-Si:Hを結晶化するか、LPCVDを使用して多結晶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、効率と出力を高レベルに押し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%以上の効率に達します。

HJTセル構造

単結晶ウェハを基板として、洗浄・テクスチャリングされたウェハ表面に、5～10 nmの真性a-Si:H膜、次にp型a-Si:H膜を順次堆積し、p-nヘテロ接合を形成します。ウェハ裏面には、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。その後、透明導電酸化膜を堆積し、最後にスクリーン印刷により両面の上部に金属集電電極を形成し、対称構造のHJT太陽電池を構築します。

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、高い外気温でも高い性能を維持します。

• 期待寿命 — 平均して、薄膜PVモジュールは最大25年、HJTセルは30年以上正常に動作し続けることができます。

• 高効率 — 現在市場に出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%で、他の従来の単結晶セルに比べて大幅に向上しています。

• 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、プロセスが簡素化されているため、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%の光電変換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進歩は、PV分野で注目の存在となり、学界で大きな関心を集めています。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的な物理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つの構成要素に基づいています。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、非常に刺激的な研究分野であり、現在も活発に議論されています。

CaTiO3

ペロブスカイトは鉱物の名称で、1839年にローズによってウラル山脈の岩石鉱物中で発見され、ロシアの地質学者ペロフスキーにちなんで命名されました。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膜形成方法は、一段階または二段階プロセス堆積です。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、スプレーなどの加工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。

ペロブスカイトの未来

ペロブスカイトの将来の研究は、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導入による効率向上に焦点を当てる可能性があります。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に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ています。

太陽光発電セル製造における品質管理

結晶シリコン太陽電池は、商業用ソーラーパネルで最も一般的なセルであり、世界の太陽電池市場販売の90%以上を占めています。

実験室では、結晶シリコンセルのエネルギー変換効率は単結晶セルで25%を超え、多結晶セルで20%以上に達します。しかし、工業生産されたソーラーモジュールは、標準試験条件下で現在18%～22%の効率しか達成していません。

洗浄とテクスチャリング

エッチングにより表面損傷層を除去し、表面をテクスチャリングして光を閉じ込め反射損失を低減するテクスチャ構造を形成します。テクスチャ表面の反射率測定は、テクスチャリングプロセスを監視する重要な手段です。

拡散接合形成とエッジアイソレーション

熱拡散などの方法により、ウェーハ上に異なる導電型の拡散層を形成し、pn接合を作ります。セルの種類によっては、pn接合とウェーハの間に一定の厚さのパッシベーション層を堆積させ、より効率的な薄膜太陽電池を得ます。この工程では主に、少数キャリア寿命、ウェーハ厚さ、屈折率を監視します。

反射防止膜の堆積

光吸収をさらに向上させるため、ウェーハ表面に反射防止膜を施します。現在、業界ではプラズマ化学気相成長法（PECVD）を用いてウェーハ上に薄膜を堆積させ、これが同時にパッシベーション層としても機能します。この段階では、主に反射防止膜の透過率とシート抵抗の均一性を測定します。

電極形成

セルの前面にグリッド線電極をスクリーン印刷し、裏面には裏面電界と裏面電極を印刷した後、乾燥と焼成を行います。この工程では、温度制御、アライメント精度、グリッド線のアスペクト比が不可欠な監視指標となります。

Ooitechの見解

ooitechは考えます：TOPCon、HJT、ペロブスカイトはそれぞれ独自の方法で太陽電池の効率を押し上げており、厳格な生産品質管理こそが、これらの技術を信頼性が高く高性能なモジュールに変える鍵です。