世界のリーダーたちがグラスゴーに集まり、気候政策について議論する中、必然的に持続可能な再生可能エネルギーへのエネルギー転換についての議論も絶え間なく行われました。
太陽電池は、間違いなくその答えの一部である。下図に示すように、太陽電池技術は、コスト削減と世界的な生産能力の拡大という点で大きく前進している。実際、世界の多くの地域で、太陽電池は補助金なしでも経済的に成り立つようになりました。また、太陽電池が世界のエネルギーミックスの主要な部分を占めるようになり、設置台数は毎年急速に増加している。
今日、太陽電池の技術として選ばれているのは、もちろんウエハーベースのシリコンである。下図に示すように、この技術は長い間、勝利の技術として確立されており、薄膜太陽電池を含む他のソリューションのためのスペースが制限されている。このような優位性の中で、重要なことは、シリコンは今後もその地位を保ち続けるのか、それとも他の技術がシリコンを補完したり置き換えたりするために台頭してくるのか、ということである。
多くの技術分野では、技術革新が繰り返されている。しかし、いずれは、旧態依然とした技術に取って代わられる。特にシリコンは成熟し、性能の限界に達しているように見えるので、太陽電池技術もそうであると考える根本的な理由はないだろう。
一方、エレクトロニクスの分野では、シリコンは非常に強いことが証明されている。しかし、電子工学の分野では、シリコンは非常に強く、驚きと進歩が止まりません。しかし、この分野でも、高周波やハイパワーエレクトロニクスなどでは、多くの非シリコン半導体が大きな役割を担っている。また、シリコンエレクトロニクスに費やされた開発時間や資本の累積は想像を絶するが、シリコンだけで将来のロードマップを維持できるかどうかは未知数であり、2次元材料などの代替材料に期待する余地がある。
TechBlickでは、太陽光発電技術の未来を探るライブ（オンライン）カンファレンスを開催しました。このカンファレンスでは、新しい太陽光発電技術の開発におけるすべての重要なトレンドを検証します。ここでは、ペロブスカイト太陽電池、有機太陽電池、CIGS太陽電池、そしてハイブリッド/タンデム太陽電池について検討します。また、太陽電池の製造方法についても、印刷法、R2R法、溶液・蒸発法などの最新動向を紹介する。 このとき LIVEオンライン会議。 キュービックPV、アーマー、ヘリアテック、3M、エピシャイン、フリソムAG、カンダ国立研究評議会、VTT、サウル・テクノロジーズ、サニュー、ITRI、ドラキュラ・テクノロジー、ブライト・ソーラー、ソレール、ライトリシティ、ブライト・ソーラー・エボラAB、ユビキタスエネルギー、ルソコ、KIT、デュポン、ファウンホファーIAP、スワンジー大学、QDSolar、ソレール、ブリリアントマターズなどこれらの技術のキープレイヤーから話が聞けそうである。
本記事では、これらの屋外・屋内用太陽電池技術の現状と動向を概説し、詳細な背景情報を提供します。これにより、この会議のテーマの重要性が理解できるだろう。ここでは、有機太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、R2R処理、インクジェット印刷などの技術について説明する。
出典：フラウンホーファーISEによるチャートのデータをTechBlickが翻案。左：世界の年間生産量。左：薄膜系PV技術のシェア。残りのシェアはSiが占める。
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ペロブスカイト：未来の勝利の技術？
数十年前から、第三世代の太陽電池が話題になっている。太陽電池技術としては、有機系と色素増感太陽電池（DSSC）の2つが主に研究され、その後、最も速く進歩したPV技術であるペロブスカイト太陽電池に発展していった。
下の図は、いくつかの非シリコン太陽電池技術の改良の軌跡を、チャンピオンセルレベルで示したものである。赤い線はすべてペロブスカイト太陽電池を指し、単体またはタンデム型である。
2014年頃に登場して以来、ペロブスカイト型太陽電池は驚くほど速い外部量子効率の改善傾向を示している。興味深いことに、この傾向は、特にタンデム型（ペロブスカイト/CIGSまたはペロブスカイト/Si）については、まだ継続する余地があるようだ。以下に示すような急カーブにより、ペロブスカイトは世界中の投資家のみならず、業界の寵児となった。また、数年間はOPVから脚光を浴びることもあった。 で TechBlickのライブ(オンライン)カンファレンス この分野の芸術と技術を産業化に向けて前進させている多くのキーパーソンから話を聞くことができます。CubicPV、Saule Technologies、Solaire、VTT、Brite Solar、Evolarなどからの講演が予定されています。
11月19日までTechBlickの年間パスホルダーとして参加すると、100%の割引が受けられます（クーポン：Save100Euro、チェックアウト時に適用）。このパスがあれば、クラス最高の効率と寿命の結果、ペロブスカイトのR2Rとインクジェット印刷への進展、安定したペロブスカイトインク調合の進歩、ターンキー薄膜ソリューションなど、あらゆる分野の進歩について、すべてのキーパーソンから話を聞き、出会うことができます。
出典 TechBlick。NRELのデータから引用。
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セルレベルの急速な改善にもかかわらず、本格的な商業化にはまだ技術的な障壁が残っています。課題の一つは、小型のチャンピオンセルから大型のセルやモジュールへの移行に伴い、効率が急激に低下することである。これは以下に示すとおりです。このデータは2020/2021年のものであり、一定の改善が見られる。それでも、この分野にはまだ取り組む必要があります。 この会議では, このセミナーでは、記録的な安定性を実現し、10億ドル以上の投資を計画しているCubicPVのような企業から話を聞くことができます。
もうひとつの課題は、ペロブスカイト太陽電池の劣化が激しく、耐用年数が制限されることである。しかし、下図に示すように、セルレベルでもモジュールレベルでも改善されている。ここでは、結晶Si、多結晶Si、CdTe、a-Si、CIGSなどの確立された技術と比較した、セルおよびモジュールレベルのペロブスカイト太陽電池のPCE劣化率を見ることができます。興味深いことに、商業的に許容できる劣化レベルとのギャップは概して縮小しており、このギャップが完全に解消されている特定の報告もあります。 カンファレンスにて カールスルーエ工科大学の研究者らは、ペロブスカイト型タンデム電池のパッシベーション技術について研究しています。
もう一つの課題は、もちろん、最高の性能を持つペロブスカイト型太陽電池に含まれる鉛の存在である。これは重要な問題ですが、記事のスペースがないため、これ以上の言及は避けます。
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ペロブスカイトの製造は、それが単セルであれタンデムセルであれ、重要な問題である。現在のところ、物理的気相成長法が最も良い結果を出しています。薄膜の特性をよりよく制御できるため、より安定したセルが得られるため、タンデムセルを追求するほとんどの企業がこの技術を使用している。
ペロブスカイト型セルの場合、薄膜形成技術は、ウエハーベースのシリコンに対してコスト競争力を持つことが証明されるかもしれない。アモルファスシリコンの場合はそうではなかった。しかし、ペロブスカイトはシリコンよりもはるかに効率が高いため、同じ設備コストと生産パラメータであっても、$/Wのコストを半減させることができる。
ペロブスカイト型太陽電池は、薄膜プロセスにより、既存のシリコンラインとの互換性を即座に実現し、ペロブスカイト型太陽電池を活用して、定評あるシリコン電池の効率を向上させることが可能である。この技術がなければ、シリコンの性能は限界に達し、技術的な崩壊の危機にさらされる可能性がある。ペロブスカイト薄膜太陽電池は、安定性と毒性が十分に証明されれば、シリコン太陽電池の救世主となる可能性がある。
ウェハー技術では到達できないスケールを達成するために、多くの人がOPV開発の教訓を借りて、印刷R2Rベースのアプローチを開発している。ここでは、1.5mのウェブを30m/minという驚異的な速度で巻き取り、完全R2Rのペロブスカイト型PVを作製することを目標としているものもある。OPVのドナー・アクセプターが織りなす形態に比べ、層間界面がきれいなため、優れたペロブスカイト型インクが開発されれば、OPVよりもシンプルになるかもしれません。
カンファレンスにて VTTとSwansea大学でペロブスカイト太陽電池の溶液処理とR2Rコーティングに取り組んでいる第一線の研究者から話を聞くことができます。この講演では、最先端の技術について概説し、ベンチマークを行う予定です。
同時に、ペロブスカイト太陽電池を商業的にR2R生産しようとしている企業や、Solaire Enterprisesのような新しいペロブスカイトインクを開発している新興企業の話も聞くことができる。また、QDSolar社などによるタンデム量子ドット・ペロブスカイト太陽電池のR2R生産にも注目したい。これは、両新技術の長所を組み合わせた初期段階の新しいアプローチである。
最後に、ペロブスカイト太陽電池はインクジェット印刷も可能である。ペロブスカイト太陽電池はインクジェット印刷も可能で、設計の自由度が高く、材料の統合もしやすいというメリットがあります。このセミナーでは、インクジェットプリントによる太陽電池のスケーリング（年間42k㎡）と強力なアプリケーションパイプラインを持つSaule Technologiesと、インクジェットプリントによる太陽電池のスケーリングとより大きな面積の太陽電池を持つBrite Solarから話を聞くことができます。
左：EMCの高速R2Rソーラーパイロットライン、100umコーニングガラスにフレキソ印刷で金属メッシュの透明導電層を形成。右：Saule Technology社製ペロブスカイト型太陽電池のガラスへのインクジェット印刷と屋内での応用例。参加者募集中 年間パス ホルダーで、このコンテンツをオンデマンドで視聴することができます。
有機薄膜太陽電池。ルネッサンス？
効率対年グラフにあるように、有機系太陽光発電はすでに20年の開発の歴史がある。この技術は、Konarkaの倒産後に挫折し、商業的・技術的な発展を停滞させた。このことは、2011年から2018年にかけてのOPVの効率の伸びの鈍さに反映されています。しかし、それ以降、OPVセルが18％の認証効率を超えるなど、効率のジャンプがありました。
材料開発、そしてナノスケールのドナー・アクセプター形態制御の技術の習得により、この開発傾向はさらに維持されるでしょう。特に近年は、非フラーレン系アクセプターへの移行により、開発トレンドが活性化され、より高い効率レベルを実現できるようになった。
このように、OPVの未来を形作る材料開発は、今後もますます加速していくことでしょう。12月1-2日に開催されるTechBlickライブ（オンライン）カンファレンスでは、Brilliant Matters、Phillips 66、Solaireなどの企業から、有機材料やペロブスカイト材料の開発に関する講演を聞くことができます。
出典 TechBlick. Swansea Universityのデータから引用しています。
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それと並行して、同様に重要なこととして、現在、業界では生産レベルの技術的な学習がかなり蓄積されてきている。当初、Konarka社は巨額の資金を調達したが、OPV技術に関するバブルが崩壊し、倒産してしまった。
この時、Konarkaはタイミングが悪かった。中国が融資などの国家支援でSi電池の生産能力を大幅に拡大し、ドル/W価格が急落して競争環境が一変したのだ。しかし、Konarkaは技術的なミスも犯していた。規模拡大を急ぎすぎたため、OPVセルの効率を高めるために最適化することができない既存の非特注のポラロイド製1.5m幅ウェブマシンを使って規模拡大を図ろうとしたのだ。そのため、投資したにもかかわらず、5%の効率レベルに近づくことはできず、マシンを本来のウェブ速度レベルに近づけて運転することもできなかった。業界はこの教訓を生かしました。
実際、この挫折にもかかわらず、業界は開発を続けていた。M&Aによる技術統合もある程度行われ、さらに重要なことは、優れた技術的専門知識が蓄積されたことである。
例えば、以下のように、各社がより広いウェブ上で均一な加工ができるようになった。この例は、ブラジルのSunew社によるものです。この会社は0.5mのウェブに印刷し、長さは1.5Kmまでです。5つの印刷ステーションと32の印刷ライン（両面印刷の場合は64）を持っています。
下図のように、ウェブ全体の厚みの均一性を2%未満に保つことができます。さらに、ウェブを拡大しても、比較的一定の外部量子効率を達成しています。これは簡単なことではありません。さらに、ダミーランの回数を減らすことで、ラン間の整合性を<<3回に抑えています。また、様々な設置例も見ることができ、この技術がまだ実用レベルのエネルギー生産には至っていないが、ニッチでユニークな用途を他の場所で見つけつつあることが分かる。
有機OPVのR2R生産の規模を拡大しているのはSunewだけではありません。Armor（ASCA）も、溶液処理したバルクヘテロ接合 OPV の規模を拡大しています。Heliatekは、タンデム型OPVのR2R蒸着という複雑な技術を習得しています。
12月1～2日に開催されるTechBlickのLIVE（オンライン）カンファレンスでは、Sunew、Armor、Heliatekを含むこの分野のすべてのキーパーソンからライブで話を聞くことができます。また、インタラクティブな「対面式バーチャル」ルームで、これらの企業のスピーカーと会い、交流し、さらに議論を深めることができます。また、Coatemaのような装置メーカーの専門知識とカスタムコーティング機がこの業界の発展において極めて重要な役割を担っているという話も聞くことができます。
データはSunewより。TechBlickによって適応される。
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また、誰もが屋外やBIPVのアプリケーションに注目しているわけではありません。OPV の効率とコストは、Si や CdTe 技術と直接競合するにはまだ不十分であるため、これは理にかなったことです。
これとは対照的に、OPVの強力なセールスポイントと差別化要因は常に、低照度の室内条件で標準的なSiセルよりも優れた性能を発揮することである。NRCCが当会議で示すように、屋内での効率は30％に近い場合もある。
このため、OPVの屋内エネルギーハーベスティング用途に強く注目し、特にコイン電池に代わる完全一体型モジュールの提供や、寿命の延長など、使い勝手の良いソリューションを目指しています。テクブリックカンファレンスにて, 例えば、Enerthing社は、OPVベースのエネルギーハーベスティングモジュールのアプローチについて説明します。
OPVによるエネルギーハーベスティングの採用に対する障壁の1つは、OPVによるエネルギー生産のコストが高いことです。これを克服するために、R2R技術が有用になる可能性があります。Epishineは、今回の講演のもう一人のスピーカーです。 TechBlickのライブ(オンライン)カンファレンスです。 は、OPVを高速かつ低コストで量産するための、生産から改造までの完全R2Rラインについて説明します。
これらの企業は、前世代のプレイヤーたちの技術開発の恩恵を直接受けながら、かつてないほど進化を遂げているのだ。あるところは、元々別の用途で使われていた装置を安価に譲り受け、またあるところは、先発メーカーの知的財産や技術的なノウハウを吸収している。そのため、これらの開発には、長い歴史があり、共通の遺産があることが容易に認識できる。
有機太陽電池は、デザインのカスタマイズや自由設計が可能なことも特徴の一つです。ここで、インクジェット印刷は非常にデザイン性が高くなり、異なるデザインだけでなく、異なる活性材料やグリーンソルベントを迅速に試すことができるようになります。2021年12月1-2日に開催されるTechBlickカンファレンスでは、この分野のパイオニアの1つであるDracula Technologiesから話を聞くことができます。Draculaは、2023年半ばまでに生産能力を5000k pcsに引き上げる計画を持っており、屋内用途をターゲットとしたOPVの工業化において、インクジェット印刷が良い選択となり得ることを示しています。最後に、太陽光発電（有機EL、CIGS、QD）に関しては、パッシベーションが重要な要素である。多くの場合、より高い透過率（10E-4g/day/sqm以上）が要求されるため、有機層と無機層のペアからなる多層構造が必要とされる。このため、バリアフィルムのコストは高くなり、また生産量も少ないのが現状である。バリアフィルムは、OPVやその他の太陽電池の価格を押し上げる主要なコスト要因となっている。まさに「鶏と卵」的な問題である。
しかし、技術的には良い解決策があり、成熟してきています。価格も、十分とは言えないまでも、急速に低下している。バリア性だけでなく、UVプロテクションなどの付加機能も導入されています。この会議では、3MとITRIという2つのリーディングプレイヤーから最新の情報を聞くことができます。前者はこの分野のメジャープレイヤーであり、後者は非常に斬新な独自のソリューションを持っています。
11月19日まで、TechBlickの年間パスホルダーとして参加すると、100ドルの割引が受けられます（クーポン：Save100Euro、チェックアウト時に適用）。このパスがあれば、Sunew, Armor, Heliatek, Epishine, Dracula Technologies, Brilliant Matters, Phillips 66, Coatema, InfinityPV など、OPV 開発の主要企業から話を聞き、会うことができます。全員に会えるフォーラムは他にはありません。
最後に、印刷やR2R処理は、有機物やペロブスカイトに限った話ではないということです。CIGSもR2Rで生産することができます。この業界に詳しい方なら、CIGSインクのR2R印刷を目指す、資金力のある企業を覚えているかもしれません。
この会議では CIGSのR2R処理に向けた興味深いアプローチを聞くことができます。Empaの技術を持つFlisomAGは、高性能フレキシブルCIGSの既製品の即販売可能な製品ポートフォリオを持ち、R2R生産の面で非常に進んでいます。
出典 ドラクエのインクジェットプリントOPV。
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世界を代表するスピーカーが登場します。
[This is automatically translated from English]
