高効率太陽電池の開発と応用

高効率太陽電池の開発と応用

Fundamentals and Applications of High Efficiency Solar Cells

  • 変換効率50%以上を目指す!III-V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池、そして、宇宙用太陽電池を詳述!
  • 本格的実用化が近づく集光型太陽電池の設計、モジュール、追尾システムなどを余すことなく紹介!
  • 量子・ナノ構造、InGaAsN系、GaInN系、シリコンとのモノリシックと新型・新材料を掲載!
価格 71,500円(税抜 65,000円) 出版社 シーエムシー出版
監修 山口真史 発行日 2009年11月
体裁 B5判、267ページ ISBNコード ISBN 978-4-7813-0150-1
Cコード C3054 商品コード T0701

発刊にあたって

ドイツの気候変動審議会がまとめた「世界のエネルギービジョン2100」によれば、2100年には、太陽(光)発電が世界のエネルギーの7割を占めると予想されている。そのような世界のエネルギービジョンの実現のためには、太陽電池の高効率化・低コスト化が必要である。III-V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、40%以上の高効率化が既に達成されており、変換効率50%以上の実現も可能である。多接合太陽電池は、既に、宇宙用太陽電池として実用化されている。また、超高効率太陽電池を用いた集光型太陽電池も米国、スペインなどで設置され、本格的実用化が間近である。超高効率太陽電池は、従来の太陽電池に比べ3~4倍の高性能化が可能なため、大規模発電所、農業応用や自動車応用など様々な応用が期待される。

このような背景の中で、多接合太陽電池や集光型太陽電池を含めて、太陽電池や太陽光発電分野に興味を持ち、新たに参画したいと思われている企業、研究所、大学や研究者・技術者も益々増えている状況である。太陽電池や太陽光発電分野へ関心を示す若い研究者・技術者や新たに参画する方々への教育や育成は、当該分野の研究開発の強化や産業の創製の観点で、極めて重要である。

今回、多くの方々のご協力で、「高効率太陽電池」に関する専門書を出版できることは、高効率太陽電池のみならず、太陽電池や太陽光発電の広範な導入・普及、ひいては、人類文明の維持発展に不可欠なクリーンエネルギーの確立や産業の創製の点で、大きな意義があるものと思っている。本書が、この分野に関わる方々の専門書、太陽電池や太陽光発電に関心を持たれる方々の手引書、学生や若手研究者・技術者の入門書として役に立てることを期待している。

(「はじめに」より抜粋)
2009年11月  豊田工業大学 山口真史

著者一覧

山口真史
豊田工業大学 大学院工学研究科 主担当教授
大下祥雄
豊田工業大学 半導体研究室 准教授
高本達也
シャープ(株) ソーラーシステム開発本部 次世代要素技術開発センター 第二開発室 室長
橋本明弘
福井大学 大学院工学研究科 電気・電子工学専攻 准教授
荒木建次
大同特殊鋼(株) 新分野事業部 ソーラー部 技術企画室長
西岡賢祐
宮崎大学 工学部 材料物理工学科 准教授
佐々木和明
シャープ(株) ソーラーシステム開発本部 次世代要素技術開発センター 第二開発室 係長
平松雅男
大同メタル工業(株) 中央研究所 商品開発センター 主任
見目喜重
豊橋創造大学 情報ビジネス学部 教授
安東孝止
鳥取大学 大学院工学研究科 情報エレクトロニクス工学専攻 教授
今泉 充
(独)宇宙航空研究開発機構 研究開発本部 電源グループ 主任開発員
岡田至崇
東京大学 先端科学技術研究センター 准教授
小島信晃
豊田工業大学 大学院工学研究科 助教
天野 浩
名城大学 理工学部 材料機能工学科 教授

目次

第1章 総論―高効率太陽電池への期待山口真史

  • 1. はじめに
  • 2. 高効率太陽電池への期待
  • 3. 多接合太陽電池による高効率化の可能性と研究開発動向の概要
  • 4. 集光型太陽電池による低コスト化の可能性と研究開発動向の概要
  • 5. 将来展望

第2章 太陽電池の高効率化技術大下祥雄

  • 1. 太陽電池の基本構造と発電原理
  • 2. 変換効率を決める要因
  • 2.1 表面反射率
  • 2.2 スペクトルマッチング
  • 2.3 少数キャリア拡散長
  • 2.4 浅い接合
  • 2.5 裏面反射率
  • 2.6 パッシベーション
  • 2.7 電極による損失
  • 2.8 動作温度
  • 3. 高効率太陽電池
  • 3.1 表面反射率を低減した多結晶太陽電池
  • 3.2 裏面電極構造を有した太陽電池
  • 3.3 薄型太陽電池
  • 3.4 HIT太陽電池
  • 3.5 多接合太陽電池
  • 3.6 集光型システム
  • 3.7 新しい概念に基づく太陽電池

第3章 高効率太陽電池の基礎山口真史

  • 1. はじめに
  • 2. III-V族化合物半導体の基礎物性とIII-V族化合物太陽電池の特徴
  • 2.1 禁止帯幅と格子定数
  • 2.2 III-V族化合物半導体の光吸収係数
  • 2.3 III-V族化合物半導体太陽電池の特徴
  • 3. 多接合構造太陽電池高効率化の基礎
  • 3.1 多接合太陽電池の高効率化の可能性
  • 3.2 少数キャリア拡散長(少数キャリア寿命)と太陽電池特性
  • 3.3 表面・界面再結合損失
  • 3.4 セルインターコネクション
  • 3.5 その他の効率支配要因

第4章 多接合太陽電池

  • 1. 多接合太陽電池の動向高本達也
  • 1.1 はじめに
  • 1.2 III-V族化合物太陽電池の変換効率の推移
  • 1.3 高効率化研究開発の現状
  • 1.4 格子不整合系3接合太陽電池の開発状況
  • 1.5 さらなる高効率化アプローチ
  • 2. 化合物半導体のエピタキシャル成長橋本明弘
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 エピタキシャル成長の熱力学
  • 2.2.1 2元系成長
  • 2.2.2 混晶系成長
  • 2.3 分子線エピタキシャル成長(MBE)法
  • 2.3.1 概論
  • 2.3.2 分子線エピタキシャルシステム
  • 2.3.3 成長メカニズムとその場観察GaAs成長
  • 2.3.4 ヘテロ構造と界面の急峻性
  • 2.4 有機金属気相成長(MOVPE)法
  • 2.4.1 概論
  • 2.4.2 有機金属気相エピタキシャルシステム
  • 2.4.3 成長メカニズム
  • 2.4.4 MBEとの比較
  • 2.5 まとめ
  • 3. 高効率多接合太陽電池高本達也
  • 3.1 はじめに
  • 3.2 セル高効率化技術
  • 3.2.1 電流整合
  • 3.2.2 ワイドギャップトンネル接合
  • 3.2.3 格子整合
  • 3.2.4 Geセル量子効率向上
  • 3.2.5 InGaP層の原子配列秩序化の抑制
  • 3.3 3接合太陽電池の製造プロセス
  • 3.4 宇宙用および集光用太陽電池

第5章 集光型太陽電池システム

  • 1. 集光型太陽電池の動向荒木建次
  • 1.1 集光セルの動向
  • 1.2 集光モジュール・システム技術動向
  • 2. 集光型太陽電池の設計西岡賢祐
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 集光型太陽電池のための等価回路の構築
  • 2.2.1 三接合型太陽電池を詳細に表現する等価回路
  • 2.2.2 等価回路計算を用いた集光型太陽電池の解析
  • 2.3 集光型太陽電池の設計
  • 2.3.1 集光型太陽電池の出力特性への直列抵抗の影響
  • 2.3.2 電極間隔の設計
  • 2.3.3 電極デザインの設計
  • 2.3.4 太陽電池サイズの設計
  • 2.3.5 光追跡計算と回路計算を組み合わせた集光型太陽電池の総合的な設計
  • 2.4 まとめ
  • 3. 高効率集光型太陽電池佐々木和明、高本達也
  • 3.1 はじめに
  • 3.2 3接合太陽電池のトップセルの最適化
  • 3.3 集光下での特性
  • 3.4 高倍集光のためのデバイス設計
  • 3.5 さらなる高効率化の取組み
  • 4. 太陽電池モジュール技術荒木建次
  • 4.1 集光光学系
  • 4.2 保護機能
  • 5. 光学系、追尾系平松雅男
  • 5.1 はじめに
  • 5.2 集光型太陽電池用フレネルレンズ
  • 5.2.1 集光光学系の分類
  • 5.2.2 集光光学系へ要求される特性
  • 5.2.3 フレネルレンズの製作
  • 5.2.4 フレネルレンズの評価
  • 5.3 集光型太陽電池用追尾系
  • 5.3.1 追尾系の分類
  • 5.3.2 追尾系へ要求される特性
  • 5.3.3 追尾系の製作
  • 5.3.4 追尾系の評価
  • 6. 集光型システム見目喜重
  • 6.1 はじめに
  • 6.2 システムの構成
  • 6.2.1 システムの構成要素(系統連系形)
  • 6.2.2 発電システムの外観
  • 6.3 直達日射量と全天日射量
  • 6.4 集光型太陽光発電システムの発電性能
  • 6.4.1 発電出力の日変化
  • 6.4.2 日発電量の変化
  • 6.4.3 月発電量
  • 6.4.4 年間発電量・年平均効率
  • 6.4.5 出力変動
  • 6.5 集光型太陽光発電システムの変換効率への影響要因
  • 6.5.1 日射スペクトル
  • 6.5.2 モジュール温度
  • 6.5.3 太陽追尾制御
  • 6.5.4 結露
  • 6.6 おわりに

第6章 宇宙用太陽電池

  • 1. 宇宙用太陽電池の動向山口真史
  • 1.1 はじめに
  • 1.2 宇宙用太陽電池の動向から見た要求性能
  • 1.2.1 高効率化
  • 1.2.2 耐放射線損傷特性
  • 1.2.3 軽量化
  • 1.2.4 低コスト化
  • 1.3 宇宙用太陽電池の動向
  • 1.3.1 Si太陽電池の動向
  • 1.3.2 化合物半導体太陽電池の動向
  • 1.4 宇宙用太陽電池の最近の動向
  • 1.4.1 超高効率太陽電池の可能性
  • 1.4.2 放射線耐性強化のアプローチ
  • 1.4.3 超高効率・耐放射線太陽電池の実現
  • 1.4.4 軽量化のアプローチ
  • 1.5 将来展望
  • 1.5.1 高効率化
  • 1.5.2 耐放射線損傷特性
  • 1.5.3 軽量化
  • 1.5.4 低コスト化
  • 2. 宇宙用太陽電池の放射線損傷安東孝止
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 太陽電池の放射線損傷係数とその材料比較
  • 2.2.1 少数キャリア拡散長の劣化と損傷係数KL
  • 2.2.2 多数キャリア濃度の枯渇:Carrier Removal Effect
  • 2.3 InP-InGaP系太陽電池の放射線劣化の熱および電流注入回復効果
  • 2.3.1 熱アニールおよび電流注入アニールによる放射線劣化の回復効果
  • 2.4 InP-InGaP太陽電池の照射欠陥(トラップ中心)の電気-光学的特性
  • 2.4.1 放射線照射欠陥のREDR効果
  • 2.4.2 REDR欠陥の電子-正孔の非輻射再結合特性
  • 2.4.3 REDR欠陥(H4、H2)の光イオン化エネルギーと配位座標表示
  • 2.5 InP-InGaP系太陽電池の放射線欠陥の起源・構造の検討
  • 2.5.1 H4:p原子フレンケル対欠陥
  • 2.5.2 H4→PInの2次欠陥反応
  • 2.6 おわりに
  • 3. 宇宙用高効率太陽電池今泉充
  • 3.1 はじめに
  • 3.2 宇宙用高効率3接合太陽電池の出力特性
  • 3.3 宇宙用太陽電池の放射線劣化
  • 3.4 高効率3接合太陽電池の耐放射線性
  • 3.5 放射線劣化の予測法
  • 3.6 今後の宇宙用太陽電池
  • 4. 超軽量・高効率太陽電池高本達也
  • 4.1 はじめに
  • 4.2 太陽電池の構造と作製プロセス
  • 4.3 フレキシブル太陽電池の特長
  • 4.3.1 高効率
  • 4.3.2 軽量
  • 4.3.3 フレキシブル
  • 4.3.4 裏面金属による光反射効果
  • 4.3.5 耐放射線性の向上
  • 4.4 アレイシートの開発
  • 4.5 フレキシブル太陽電池の今後の展開

第7章 新型太陽電池・材料

  • 1. 量子・ナノ構造太陽電池岡田至崇
  • 1.1 半導体中の量子・ナノ効果と高効率太陽電池への応用
  • 1.2 量子ドットタンデム型
  • 1.3 量子ドット超格子(中間バンド)型
  • 1.4 マルチエキシトン生成(MEG)型太陽電池
  • 1.5 結晶成長による自己組織化量子ドット太陽電池の作製技術
  • 1.6 むすび
  • 2. 新材料InGaAsN小島信晃
  • 2.1 格子整合系4接合太陽電池用新材料
  • 2.2 InGaAsN太陽電池
  • 2.3 InGaAsN材料の欠陥物性
  • 2.4 InGaAsN材料の成膜技術
  • 2.5 InGaAsN材料へのSb添加効果
  • 2.6 (In)GaAsN材料の量子構造太陽電池への適用
  • 2.7 おわりに
  • 3. AlGaInN系太陽電池の可能性天野浩
  • 3.1 はじめに
  • 3.2 GaInN系太陽電池の作製方法
  • 3.2.1 MOVPE法
  • 3.2.2 MBE法
  • 3.3 GaInN系太陽電池の現状
  • 3.4 まとめ
  • 4. III-V化合物/シリコンとのモノリシック山口真史
  • 4.1 はじめに
  • 4.2 シリコン基板上のIII-V族化合物半導体ヘテロエピ成長技術の意義
  • 4.3 Si基板上のIII-V化合物薄膜太陽電池およびIII-V/Siモノリシックタンデム太陽電池開発の意義
  • 4.3.1 低コスト化の可能性
  • 4.3.2 III-V/Siモノリシックタンデムセルよる高効率化の可能性
  • 4.4 技術課題
  • 4.5 提案されている高品質ヘテロエピ薄膜の作製方法
  • 4.6 Si基板上のGaAs太陽電池の研究開発状況
  • 4.7 宇宙実証の試み
  • 4.8 まとめ

第8章 高効率太陽電池の応用

  • 1. 大規模発電荒木建次
  • 1.1 国内市場への応用
  • 1.2 海外市場への応用
  • 2. 農業への応用荒木建次
  • 3. 自動車応用山口真史
  • 3.1 はじめに
  • 3.2 太陽電池利用のメリットに関する試算例―1
  • 3.3 太陽電池利用のメリットに関する試算例―2
  • 3.4 トヨタ「プリウス」の例