テクの図鑑

vol.18 複雑形状も可能な薄さと柔軟性 アモルファスシリコン太陽電池

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

複雑形状も可能な薄さと柔軟性 アモルファスシリコン太陽電池

 

太陽電池は高価で特殊用途でしか使えないという常識を破ったのがアモルファスシリコン太陽電池。TDKではプラスチックフィルムにアモルファスシリコン薄膜を形成するという至難技術を世界で初めて確立。薄くてフレキシブル、複雑形状にも加工が容易な特長を生かし、ソーラー腕時計などにも採用されている。

アモルファスシリコン薄膜のフォトダイオード

太陽電池はLED(発光ダイオード)と逆の原理で光を電気エネルギーに変換する。電子が多いn型半導体と、電子の抜け穴であるホール(正孔)が多いp型半導体を接触させると、電子とホールが中和することで、薄い絶縁層ができる。このpn接合の半導体に、外部から電圧を加えると、絶縁層のエネルギーの壁を越えて、n側の電子はp側へ、p側のホールはn側へと移動しやすくなり、双方がぶつかりあうと光が放出される。これがLEDの発光原理である。pn接合の半導体にはもうひとつの性質があり、光を照射すると、光のエネルギーによって電子とホールが生まれる。これを電極から電流として取り出すのがフォトダイオードだ。簡単にいえば太陽電池とは、多数のフォトダイオードを集積した発電素子である。  

従来のシリコン単結晶を利用した太陽電池は、エネルギー変換効率にすぐれる。しかし、単結晶のインゴットをスライスしたシリコンウエハを用いるために大面積化が難しい。インゴットの製造には大量のエネルギーも費やされる。そこで、アモルファス(非晶質)シリコンの薄膜を利用した太陽電池が開発された。アモルファスシリコン太陽電池は、光を受けると電子とホールを発生するシリコン膜(i型)を、p型・n型のシリコン膜ではさんだpin接合と呼ばれる構造となっている。発生した電子とホールは、p型・n型半導体の電位差によって活発に移動し、この現象が連続的に繰り返されることで電流が流れ続ける。これが発電の原理である

TDKが開発した世界初のフレキシブル太陽電池

アモルファスシリコン太陽電池の製造法は、単結晶シリコン太陽電池と大きく異なる。まずスパッタリング法と呼ばれる真空蒸着法によって、基板に電極となる金属(アルミニウム)の薄膜を形成し、これをプラズマCVD法のチャンバー(反応室)に送り込む。CVD法とはヒータで加熱した基板表面で原料ガスを熱分解し、化学反応によって薄膜を形成させる化学蒸着法である。高周波のグロー放電中で熱分解させると、比較的低温(約200℃)でもすぐれた膜質が実現する。このプラズマCVD法によりn型・i型・p型という3層のアモルファスシリコン半導体の薄膜を形成したのち、再びスパッタリング法によって透明電極の薄膜を形成する。  

基板にプラスチックフィルムを用いたフレキシブルなアモルファスシリコン太陽電池は、(株)半導体エネルギー研究所の協力を得て、TDKが世界で初めて実現した。大面積の連続生産を可能とするRoll to Roll工法には、カセットテープやビデオテープの生産で培ったプラスチック技術や自動化技術なども生かされている。

ソーラー腕時計に続く新たな応用分野に期待

TDKのアモルファスシリコン太陽電池は、ソーラー電卓などのほか、クォーツ腕時計への利用が急伸している。デザイン性が重視される腕時計では、太陽電池は透光性のある文字盤の下に配置されたり、文字盤の周囲に細いリング状に配置されたりする。プラスチックフィルムを基板としたアモルファスシリコン太陽電池は、薄くてフレキシブルなだけでなく、自由な形状に切断・加工できるというメリットをもつからだ。最近では電波時計の機能と組み合わせたモデルも人気を集めている。  

アモルファスシリコン太陽電池は、変換効率においてシリコン単結晶太陽電池に劣る。だが、太陽電池ではEPT(エネルギー回収年率)という概念が重要になる。EPTとは太陽電池の生産に要したエネルギーに対する発電エネルギーの割合である。単結晶シリコンのEPTは数年以上にも及ぶが、アモルファスシリコン太陽電池のEPTは1年以下である。省資源・省エネにすぐれ、室内照明に高感度であることが、アモルファスシリコン太陽電池の強み。新たな応用分野の開拓に期待が寄せられている。

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