Solar cell - taiyodenchi (English spelling) solar cell

Japanese: 太陽電池 - たいようでんち（英語表記）solar cell

An element that converts sunlight energy directly into electrical energy by utilizing the photovoltaic effect of semiconductors. The pn junction type is the most common. When light is shone on a semiconductor, electron-hole pairs are generated near the pn junction, and the internal electric field in the transition region causes the electrons to move to the n region and the holes to move to the p region, where they are separated, resulting in the appearance of photovoltaic power. Then, a current flows from p to n in the external circuit connecting the n-type and p-type semiconductors, and electricity can be extracted.

The discovery of the photovoltaic effect in solids by G. Adams (1836-1915) and others in England in 1876 became the catalyst for research and development of solar cells. In 1955, a silicon solar cell with a conversion efficiency of 11% was produced at Bell Laboratories (now Bell Laboratories, the research and development division of Lucent Technologies) in the United States, and in 1958 it was installed as a power source for an artificial satellite. In Japan, Tohoku Electric Power Co. began producing silicon solar cells at a practical level in 1957 (Showa 32), and research and development on this subject began in 1974 as part of the Ministry of International Trade and Industry's (now the Ministry of Economy, Trade and Industry) "Sunshine Project." This project was succeeded by the "New Sunshine Project," which was launched in 1993 (Heisei 5). The spread of photovoltaic power generation has progressed rapidly since the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) began a test project in 1992, and in 1994 the New Energy Foundation (NEF) began subsidizing part of the installation costs as part of a "Residential Photovoltaic Power Generation System Monitor Project," and in 1997 the same foundation also promoted a "Residential Photovoltaic Power Generation Installation Infrastructure Development Project." In 2001, Japan's solar cell production volume was 1.20 x ¹⁰⁵ kilowatts, produced by Sharp, Kyocera, Sanyo Electric, Mitsubishi Electric, Kaneka, and other companies, and this is a 4.4% increase from 2000. However, the cost of generating electricity per kilowatt hour is about 60 yen, two to three times the cost of regular electricity, and it is expected that it will take some time to reduce this cost.

The sun emits 4 x ¹⁰²⁰ joules of light energy with wavelengths of 0.2 to 3.0 μm (micrometers) every second. 1.8 x ¹⁰¹⁷ watts of energy reach the earth, which is 1.5 x ¹⁰⁴ times the total energy supply in the world. The energy density of sunlight outside the atmosphere is 1353 W/ ^m2 , but due to absorption and scattering within the atmosphere, it is said to be 600 to 1000 W/ ^m2 on the ground. Solar cells are what make it possible to convert this enormous amount of solar energy into electrical energy.

Semiconductors for solar cells should have a band gap (forbidden band) that matches the solar spectrum distribution, high energy conversion efficiency, and a large light absorption coefficient. Band gaps of around 1.4 eV (electron volts, equivalent to about 0.8 μm in wavelength) are ideal, and II-VI group semiconductors such as CdTe (1.529 eV) and CdSe (1.74 eV), III-V group semiconductors such as GaAs (1.43 eV), AlSb (1.63 eV), and InP (1.34 eV), as well as I-III- _VI2 group (chalcopyrite type) compound semiconductors such as CuInSe ₂ (1.0-1.1 eV) are being researched extensively. However, in terms of ease of processing and cost, silicon (Si) single crystal (1.14 eV), polycrystalline, and amorphous (1.5-1.9 eV) are currently suitable.

Solar cells are constructed using homojunctions that utilize the pn junction of the same type of semiconductor, heterojunctions of different types, and Schottky junctions between metals and semiconductors. Furthermore, tandem solar cells have been developed that stack different compound semiconductor cells to effectively utilize a wide range of solar wavelengths. In addition, dye-sensitized solar cells that use ruthenium complexes as light-absorbing dyes, solar cells that use organic semiconductors, and carbon-based thin-film solar cells have been researched and are attracting attention.

When the spectrum of sunlight changes, or when the load conditions of a solar cell change even if the same input light is received, the electrical output that can be extracted changes. For this reason, the performance of a solar cell is often evaluated against artificial light of 100mW/ ^cm2 at an AM (Air Mass) of 1.5, which is equivalent to sunlight that is obliquely incident from the zenith at an angle of 48.2 degrees. Energy conversion efficiency is the ratio of input solar energy to maximum electrical output energy, expressed as a percentage.

Sunlight is inexhaustible, and solar cells utilize the photovoltaic effect of semiconductors, do not transfer thermal energy, have no moving parts, are quiet, and are capable of generating electricity safely and without pollution. There are high hopes for solar cells as a technology that will protect the earth from pollution caused by fossil fuels and make effective use of energy resources. To build an economical solar power generation system, it is first necessary to further improve the efficiency of solar cells and reduce their manufacturing costs. To this end, a great deal of research and development is being promoted, including the development of low-cost manufacturing methods for various materials, including the semiconductors used in solar cells, junction technologies such as pn junctions, and even modularization and systemization.

[Mitsuru Asano]

Silicon solar cell

Most solar cells in practical use are silicon (Si)-based, and either single crystal, polycrystalline, or amorphous silicon is used. Silicon solar cells can be classified into bulk and thin-film types according to the thickness of the silicon semiconductor. Bulk solar cells are made by slicing bulk crystals such as single crystal silicon or cast silicon produced by casting into plates and using them in silicon solar cells. On the other hand, thin-film solar cells use amorphous thin films with a semiconductor layer thickness of a few micrometers (μm) or less, but crystalline (single crystal, polycrystalline) silicon thin films are attracting attention as a new direction.

The theoretical conversion efficiency of single-crystalline Si solar cells is 29%, but for mass-produced modules it is approximately 17%, for polycrystalline it is approximately 13%, and for amorphous it is approximately 9%.

[Mitsuru Asano]

Crystalline Silicon Solar Cells

The first solar cells developed were made of single-crystal silicon. This single-crystal substrate was produced by the Czochralski method or the zone melting method, but in order to achieve mass production and cost reduction, there has been active research into using polycrystalline silicon substrates by the ribbon pulling method or the casting method.

Crystalline (single crystal, polycrystalline) Si solar cells generally use a p-type substrate with a textured structure to reduce the reflectance of its surface. An n-layer is formed on top of this to form a p-n junction, and an anti-reflective film with high light transmittance is further placed on the n-layer. A grid-shaped electrode (Ag, etc.) that allows light to easily enter is placed on the n-layer, which is the light-receiving surface, and an electrode (Al, etc.) is attached to the entire back surface of the p-layer, forming the basic cell structure.

The texture structure of the p-layer surface is created by anisotropic etching to create pyramidal irregularities of about 20 micrometers, and V-shaped grooves are formed by mechanical methods to reduce reflection loss due to multiple reflections of light to less than 1%. In addition, a thin film of _SiO2 or _MgF2 is coated on the n-layer surface as an anti-reflective film to reduce the reflectivity to less than 2%.

The highest conversion efficiency ever achieved is 24.4%, which was achieved at the University of New South Wales in Australia in 1998. This was achieved by using a high-quality single-crystal Si substrate fabricated by the floating zone method, which uses a moving molten zone, and adopting a unique inverted pyramidal texture structure.

Crystalline silicon solar cells used for power generation require long-term reliability and stability in outdoor environments, so they are modularized to provide mechanical strength and weather resistance. Because the output voltage of a single battery cell is low at approximately 0.6 volts, multiple cells are connected in series to obtain the required voltage of 12 to 500 volts. These modules are then linked together and installed outdoors (called an array) and used as a solar power generation system that includes storage batteries and control equipment.

[Mitsuru Asano]

Amorphous Silicon Solar Cells

Amorphous silicon (a-Si) solar cells use a thin film that is deposited on a substrate by decomposing gases such as silane (SiH4 ₎ through a plasma (glow discharge) reaction. Compared to crystalline systems, they are less expensive, can be made larger in area, and can produce high voltages by connecting multiple cells in series on a single substrate.

Hydrogenated a-Si, in which dangling bonds are terminated with hydrogen, has a large band gap of 1.5 to 1.9 eV, allowing for a high output voltage of 0.8 to 0.9 V. In addition, its optical absorption coefficient is about 10 times larger than that of crystalline silicon, so even a thickness of 1 micrometer can adequately absorb sunlight.

Crystalline solar cells, which have a large carrier diffusion distance, have a pn structure, whereas a-Si solar cells, which have a short diffusion distance and localized levels, generally have a pin structure with a non-doped intrinsic semiconductor layer (i layer) sandwiched between them.

In 1975, at the University of Dundee in Scotland, a-Si thin film was produced using the plasma CVD method of _SiH4 , which enabled valence electron control, making it possible to create a pn junction, and the pin a-Si solar cell was created the following year in 1976. In 1980, calculators using a-Si solar cells instead of single crystal Si solar cells were put into practical use.

In a-Si solar cells, the mobility of holes is smaller than that of electrons, so the structure is usually such that a p-layer is placed on the light incident side. First, a transparent conductive electrode layer such as indium tin oxide (ITO) is deposited on a glass substrate, then thin a-Si p-, i-, and n-layers are deposited, and a metal electrode is formed on the back surface. Furthermore, the transparent electrode layer is textured to reduce the surface reflectance, and a highly reflective metal such as Ag is used for the back electrode to make effective use of the incident light.

In pin-type a-Si single-layer solar cells, the conversion efficiency is about 9.2%, but if the p-type a-Si layer is replaced with a p-type a-SiC layer or a p-type μc-SiC layer with a wide band gap in order to efficiently deliver light to the i-layer where carriers are mainly generated, the conversion efficiency can be increased to 12.7%. Furthermore, by using narrow band gap a-SiGe or wide a-SiC for the i-layer and stacking semiconductors with different spectral characteristics in two or even three layers, even higher efficiency can be achieved.

A-Si solar cells account for the majority of consumer solar cells in calculators, etc. On the other hand, crystalline Si solar cells are used for power generation, but research and development of a-Si solar power generation systems is also underway because there is no need to worry about material shortages, costs can be reduced, and the energy recovery period is short.

[Mitsuru Asano]

Thin-film crystalline silicon solar cells

Solar cells using thin-film crystalline silicon are expected to be less expensive than bulk crystalline systems. The photovoltaic layer (active layer) is several micrometers to 100 micrometers, and has intermediate properties between bulk crystalline systems and amorphous materials, so the key is light trapping technology that reflects the incident light multiple times and absorbs it sufficiently. For this reason, the front surface has a textured structure, and the back surface has a highly reflective layer. Solar cells have been attracting attention since 1995, and some of the research results include the following. The Fraunhofer Institute in Germany used a SIMOX substrate, which is made by embedding oxygen ions in single-crystal silicon and forming a _SiO2 film, to deposit a crystalline silicon thin film using the CVD method to create a solar cell, achieving a high conversion efficiency of 19.2%. Sony also used a substrate made by anodizing the surface of single crystal silicon to form a porous layer, on which they epitaxially deposited the p ⁺ , p, and n layers of single crystal silicon in sequence (growing crystals on a semiconductor substrate), then peeled it off the porous substrate and attached an anti-reflection film and electrode to the front and a light-reflection layer electrode to the back to produce a prototype thin-film single crystal silicon solar cell, achieving a conversion efficiency of 12.5%. Mitsubishi Electric used a single crystal silicon wafer with a _SiO2 layer formed on the surface as a substrate, deposited a thin-film polycrystalline silicon layer using the atmospheric CVD method, formed via holes and a texture structure, and peeled it off to produce a solar cell, achieving a conversion efficiency of 16.0%. Kanegafuchi Chemical Industry Co., Ltd. fabricates thin-film polycrystalline silicon solar cells using the plasma CVD method. A rear reflective layer is formed on a glass substrate, n-type and i-type polycrystalline silicon thin films are laminated, the surface is textured, and then p-type polycrystalline silicon thin film and ITO transparent conductive thin film are deposited in sequence, and an Ag electrode is attached. The conversion efficiency is 10.7%.

In the future, research will be conducted into new thin-film manufacturing methods and cell structures, and it is highly anticipated that even lower-cost, more efficient thin-film crystalline silicon solar cells will be produced.

[Mitsuru Asano]

Compound semiconductor solar cells

Compound semiconductors used in solar cells include III-V compounds (GaAs, InP, GaInP, etc.) composed of Group III elements (Al, Ga, In) and Group V elements (N, P, As, Sb), II-VI compounds (ZnS, CdS, CdTe, etc.) composed of Group II elements (Zn, Cd) and Group VI elements (S, Se, Te), and I-III- _VI2 compounds ( _CuInSe2 , _CuInGaSe2 , etc.).

These compound semiconductors have a good match between their band gap and the spectrum of sunlight, making it possible to achieve high efficiency, and they are easy to form into thin films, have little loss of conversion efficiency at high temperatures, and have excellent radiation resistance.In addition, because they have a direct transition energy band structure, they have a large optical absorption coefficient and can fully absorb sunlight even in a thin film.

[Mitsuru Asano]

III-V compound semiconductor solar cells

The theoretical value of the conversion efficiency of a solar cell is determined by the band gap of the semiconductor used, and the band gap is close to the optimum value of 1.43 eV for GaAs and 1.34 eV for InP, and it is possible to obtain large, high-purity single crystals by epitaxial methods. However, it is extremely expensive compared to Si.

In 1956, a bulk GaAs solar cell was produced, but because the carrier recombination velocity was high at 10 ⁶ to 10 ⁷ cm/s, the conversion efficiency was low at 6.5%. So in 1991, an AlGaAs/GaAs solar cell was produced, using AlGaAs with a large band gap of 2.04 eV on the window side, and was put to practical use as a space solar cell. A conversion efficiency of 25.1% was achieved. This was achieved by first depositing an AlGaAs thin film on an n-GaAs substrate by liquid phase epitaxy (LPE) or metal-organic chemical vapor deposition (MO) method, and then Zn was diffused as a p-dopant not only into the AlGaAs but also into the GaAs to produce p-AlGaAs/p-GaAs/n-GaAs.

In order to further improve the performance of III-V solar cells, tandem solar cells, which stack two types of pn junctions with different spectral sensitivity characteristics, are being researched. The top cell on the window side has a large band gap, and the bottom cell on the light absorption side has a small band gap, which is designed to increase the conversion efficiency from short to long wavelengths. The National Renewable Energy Laboratory in the United States fabricated a tandem solar cell with a top cell of GaInP (1.88 eV) and a bottom cell of GaAs bonded through a low-resistance p-/n-GaAs tunnel junction underneath, and achieved a conversion efficiency of 29.5%. In 1996, Japan Energy also developed a tandem solar cell that prevents the diffusion of Zn dopants by using a p ⁺ -AlInP/p ⁺ -GaInP/n ⁺ -GaInP/n ⁺ -AlInP double heterostructure instead of a p-/n-GaAs tunnel junction, achieving the world's highest conversion efficiency of 30.28%.

[Mitsuru Asano]

II-VI Compound Semiconductor Solar Cells

II-VI compound semiconductors for solar cells include ZnS (3.58 eV), ZnSe (2.26 eV), ZnTe (2.26 eV), CdS (2.42 eV), CdSe (1.74 eV), and CdTe (1.45 eV). All of them are direct transition type, have large absorption coefficients for light with wavelengths below the absorption edge, and have short carrier diffusion distances, so they can be used as thin films. Among these, the band gap of CdTe is suitable for solar cells. In addition, only CdTe in II-VI group exhibits both p- and n-semiconductor properties, so homojunction solar cells are limited to CdTe. However, since it is difficult to fabricate n-CdTe thin films, heterojunction solar cells are often used, using other II-VI group materials with large band gaps as window materials. Among them, II-VI solar cells with n-CdS/p-CdTe configurations have been well studied, because the chemical properties of CdS are very similar to CdTe.

Historically, the CdS/Cu ₂ S solar cell was developed at the University of Delaware in the US in 1980. This was achieved by attaching a Cu ₂ S layer to a CdS vapor-deposited surface using a wet replacement method, and a conversion efficiency of 9.2% was achieved, but performance degradation was so great that it was not put to practical use. In 1990, Matsushita Battery Industrial Co., Ltd. produced a CdS/CdTe solar cell using the screen printing method, achieving a conversion efficiency of 11.3%. In 1993, the University of South Florida in the US produced a solar cell with a glass/SnO ₂ :F/CdS/CdTe/Hg-C structure using MOCVD and chemical bath growth methods, achieving a conversion efficiency of 15.8%, the highest in the world for a II-VI group solar cell.

Research is being conducted at the University of Texas and NASA Lewis Research Center on using metal instead of glass substrates for large-scale production of CdS/CdTe heterojunction solar cell modules. In particular, Mo metal substrates are lightweight, have high fracture strength, and are also excellent in durability, so we are developing solar cells with an In/ITO/CdS/CdTe/Cu-Te/Mo structure.

[Mitsuru Asano]

I-III-VI Group ₂ Compound Semiconductor Solar Cells

I-III- _VI2 group compound semiconductors that have the same crystal structure as chalcopyrite CuFeS ₂ (tetragonal) and can be considered pseudo II-VI group are being researched for use in solar cells. These are also called chalcopyrite semiconductors, and CuInSe ₂ (abbreviated as CIS, 1.0-1.1 eV) has been well studied. Other examples include CuInS ₂ (1.55 eV), CuInTe ₂ (0.96 eV), CuGaSe ₂ (1.68 eV), and CuGa _1-x In _x Se ₂ (abbreviated as CIGS, 1.1-1.7 eV), which is a CIS with some of the In replaced with Ga. They are direct transition types with a large optical absorption coefficient, can absorb light sufficiently with a thickness of a few micrometers, and are relatively inexpensive, making them suitable for use as thin-film solar cell materials.

CIS has a wide chemical composition range, and by introducing defects from the stoichiometric composition, it is possible to give it electrical properties similar to those of a single crystal. Furthermore, polycrystalline CIS thin films with excellent properties can be produced by an easy-to-operate electrodeposition method, and CIGS can also be made into thin films by co-electrodeposition. In addition, by increasing the Cu/In atomic ratio from 1 or less to 1 or more and increasing the amount of Cu, the properties of CIS can be changed from n-type to p-type. CdS is an ideal material for assembling solar cells by p-CIS and pn junction. This is because CdS is originally n-type, has a wide band gap of 2.42 eV, is suitable as a window material, and has good lattice matching with CIS. In 1999, the National Renewable Energy Laboratory in the United States prototyped a solar cell with this CdS/CIGS configuration and set a conversion efficiency of 18.8%, the highest record for a solar cell using CIGS. Since then, with the aim of mass production, efforts have been made to develop film formation technology, improve the efficiency of modules, and further improve reliability. Furthermore, because cadmium has a large environmental impact, research is underway to use ZnO or ZnSe instead of CdS, but it seems that a decrease in conversion efficiency is unavoidable.

[Mitsuru Asano]

Dye-sensitized solar cells

Photochemical reactions that utilize the photoexcitation of semiconductors require irradiation with light with energy equal to or greater than the band gap. However, when a dye is adsorbed on an n-type semiconductor, if the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) energy of the dye is higher than the conduction band level, the dye is excited and the excited electrons are transferred from the dye to the semiconductor, making it possible to effectively use light with long wavelengths that cannot directly photoexcite the semiconductor. This phenomenon is called dye sensitization. In 1986, German chemists Heinz Gerischer (1919-94) and Helmut Tributsch (1943- ) successfully adsorbed rhodamine B and other dyes onto n-type semiconductor single crystal ZnO, photoexcited it, and extracted photocurrent for the first time. In 1991, Brian O'Regan and Michael Grätzel adsorbed a derivative of a ruthenium bipyridine complex as a dye onto a porous n- _TiO2 electrode with a large specific surface area, and used it to generate photocurrent with high efficiency by irradiating it with visible light. In addition, since the dye is oxidized when electrons are transferred from the excited dye to the semiconductor, iodine ( _I2 )/iodide ions ( _I3- ⁾ are added to the electrolyte as a redox system to reduce and regenerate the dye with _I3- ^ions , and _I2 is reduced again at the counter electrode to regenerate _I3- ions. Therefore, the _I2 ^/ _I3- redox (oxidation ^- reduction) system in the electrolyte can be made to appear unchanged. This type of system is called a dye-sensitized solar cell, and is often called a Grätzel cell after the researcher who significantly improved the dye-sensitization characteristics.

The n- _TiO2 semiconductor electrode is a nanoporous thin film to maximize the surface area for dye adsorption and to lengthen the incident light path to increase conversion efficiency. This thin film electrode is fabricated by the doctor blade method using a paste of _TiO2 nanopowder, the sol-gel method using titanium alkoxide, the colloid method, the spray pyrolysis method, the electrostatic spray method, etc.

The most well-known ruthenium complex sensitizer is cis-di(thiocyanato)-N,N'-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II), _RuL2 (SCN) ₂ , but there is growing interest in developing lower-cost, higher-performance sensitizers. Redox systems include dimethylferrocene°/dimethylferrocene ⁺ dissolved in methanol, and alkaline aqueous solutions of ^S2- / _Sn2- ^and Se ^-2 /Se ^- ₂ . New sensitizers include Ru phenanthrylon and Ru diketonate, Ru _metal -free coumarin and merocyanine, and oxide semiconductor materials such as _TiO2 , _Nb2O3 , ZnO, _SnO2 , and ZnO- _SnO2 composites. Furthermore, research is being conducted into using room-temperature molten salt electrolytes instead of solution-based electrolytes, and into gel electrolytes and conductive polymer electrolytes in order to solidify the entire system and increase long-term safety.

The conversion efficiency is generally 2-6%, but in 2000, Uppsala University in Sweden succeeded in obtaining a high conversion efficiency of 6.9% by depositing a nanocrystalline _TiO2 thin film using reactive DC magnetron sputtering of Ti metal in _O2 /Ar gas, adsorbing _RuL2 (SCN) ₂ , and then treating it with 4-tert-butylpyridine.

Dye-sensitized solar cells are inexpensive and have improved conversion efficiency, and are expected to be able to compete with silicon solar cells in the future.

[Mitsuru Asano]

Organic semiconductor solar cells

In organic compounds with conjugated double bonds, the π (pi) electrons in the molecule behave like free electrons, making them conductive, and solar cells using these organic semiconductors are being researched. In the case of organic semiconductors such as organic molecules and organic polymers, three-dimensional crystal lattices are not formed, there are large interactions within and between molecules, and locally disordered structures exist, so calculations of the band structure are more complicated than for inorganic semiconductors. For this reason, the photovoltaic effect of organic semiconductors is only qualitatively understood using classical band models.

Solar cells using organic semiconductors are classified into Schottky junction type and pn heterojunction type. The former has a structure in which an organic p-type semiconductor and an In (or Al) contact electrode are sequentially deposited on a metal (or ITO) with a large work function. The latter generally has an ITO electrode, an organic n-type semiconductor, an organic p-type semiconductor, and an Au (or Ag) electrode sequentially deposited on a glass substrate, and sunlight is irradiated from the glass substrate side. However, the former lacks stability in air and the short-circuit current density drops sharply, so the latter is being actively researched with the aim of further improving the conversion efficiency.

Representative p-type organic molecules include phthalocyanine and tetraphenylphosphine, while n-type organic molecules include perylenetetracarboxydiimide derivatives, etc. In addition, organic polymers include p-type octithiophene and n-type polyphenylenevinylene.

Conversion efficiency was around 10 ^-5 % in the 1970s, and even in 1990 it was only around 0.5%. However, in 2000, the Faculty of Engineering at Kanazawa University and Nippon Shokubai Co., Ltd. prepared a heterodimer (HD) consisting of a weak electron donor 5,10,15,20-tetra(2,5-dimethoxyphenyl)porphyrinatozinc and a weak electron acceptor 5,10,15-triphenyl-20-(3-pyridyl)porphyrin, sandwiched this between the electron acceptor perylene-3,4,9,10-tetracarboxy-bis-benzimidazole (PV) and the electron donor 3-carboxymethyl-5[(3-methyl-(3H)-benzothiazolidine)ethylidine]-2-oxo-4-thiazolidinone (MC), to create a three-layer structure of Al/PV/HD/MC/Au, which achieved the highest conversion efficiency of 3.51% ever achieved by a conjugated organic semiconductor solar cell.

Furthermore, organic-inorganic hybrid solar cells are being researched. In 2000, researchers at the University Louis Pasteur in France and other institutions used poly(3-methylthiophene) doped with PF ₆ ^- (PMeT(PF ₆ ^- )) and Sb-doped CdS(Sb) to assemble an ITO/CdS(Sb)/PMeT(PF ₆ ^- )/Au structure, achieving a conversion efficiency of 3.5%.

To put organic semiconductor solar cells into practical use, it will be necessary to increase the short-circuit current density by improving the conductivity of the organic semiconductor, and to increase the open circuit voltage by widening the difference in Fermi levels between p-type and n-type, thereby raising the conversion efficiency to at least 5%. However, they have the advantage of being made of inexpensive raw materials and have low manufacturing costs, and are expected to become a practical alternative to current silicon solar cells in the future.

[Mitsuru Asano]

Carbon-based thin-film solar cells

This solar cell uses a highly photosensitive carbon-based semiconductor thin film such as amorphous carbon instead of silicon. Many carbon-based materials are inexpensive, environmentally friendly, and can be formed at low temperatures, so it is expected to reduce the cost of solar cells. For this reason, since around 1996, research and development has been conducted on carbon-based thin film solar cells with nC/ _p _- Si, pC _/n- _Si , _nC /pC/p-Si _, and pC/nC/n _- Si configurations, using _carbon sources such as graphite, natural resource camphor C10H16O, fullerene C60, 2,5-dimethyl-p-benzoquinone (CH3)2C6H2O2, and hydrocarbon gas as raw materials to deposit amorphous carbon thin films on silicon substrates by ion beam sputtering, pyrolysis, pulsed laser deposition, molecular beam epitaxy, plasma CVD, and other methods, and utilizing their semiconducting properties.

In 2001, Xinjiang University and Tsinghua University in China used an arc discharge plasma CVD method using a mixture of methane, hydrogen and boron oxide gas to deposit a thin film of boron-doped p-type amorphous diamond-like carbon on the surface of n-Si(100), creating a carbon-based thin-film solar cell with a pC/n-Si configuration, achieving an energy conversion efficiency of 7.9%, the highest ever. Since 2002, a group from Chubu University and Nagoya Institute of Technology has been commissioned by NEDO to develop a flexible carbon-based thin-film solar cell with a configuration of pC/iC/nC/transparent conductive film/plastic substrate that does not use a silicon substrate, and is promoting research to improve the energy conversion efficiency to 8%.

[Mitsuru Asano]

になったんです。 English : The first thing you can do is to find the best one to do .になったんです。 English : The first thing you can do is to find the best one to do . "Yamada Koichi and Komiya Yamayama Hiroshi, "Solar Power Generation Engineering: From the Basics of Solar Cells to System Evaluation" (2002, Nikkei BP)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

半導体の光起電力効果を利用して、太陽の光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する素子。pn接合形が一般的である。半導体に光を照射するとpn接合部付近に電子‐正孔対が生成し、遷移領域の内部電界によって電子はn領域へ、また正孔はp領域へ移動して分離し、光起電力が現れる。そしてn形とp形半導体を結ぶ外部回路にpからnへ向かう電流が流れ、電力を取り出すことができる。

　1876年にイギリスのアダムズG. Adams（1836―1915）らによる固体の光起電力効果の発見が太陽電池の研究開発の契機になった。1955年にアメリカのベル研究所（現ルーセント・テクノロジーズ社研究開発部のベル・ラボラトリーズ社）で変換効率が11％のシリコン太陽電池が製作され、58年人工衛星の電源として搭載された。わが国では1957年（昭和32）に東北電力で実用化レベルのシリコン太陽電池がつくられるようになり、74年からは通産省（現経済産業省）の「サンシャイン計画」として研究開発が進められた。この計画は93年（平成5）に発足した「ニューサンシャイン計画」に引き継がれている。太陽光発電の普及は1992年に新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）がテスト事業を始めてから急速に進み、94年からは新エネルギー財団（NEF）が「住宅用太陽光発電システムモニター事業」として設備費の一部を補助するようになり、さらに97年には同財団により「住宅用太陽光発電導入基盤整備事業」が推進されている。2001年におけるわが国の太陽電池生産量は1.20×10⁵キロワットで、シャープ、京セラ、三洋電機、三菱電機、カネカなどで生産されており、2000年より4.4％伸びている。しかし1キロワット時の発電コストは約60円で、通常電力の2～3倍であり、このコストの削減にはなお時間がかかるとみられている。

　太陽は0.2～3.0μm（マイクロメートル）の波長の光エネルギーを毎秒4×10²⁰ジュール放出している。そして地球上には1.8×10¹⁷ワットのエネルギーが到達しており、世界全体のエネルギー供給量の実に1.5×10⁴倍に相当している。大気圏外における太陽光のエネルギー密度は1353W/m²であるが、大気圏内における吸収や散乱により地上では600～1000W/m²といわれている。この莫大(ばくだい)な太陽光エネルギーを電気エネルギーとして役だてるのが太陽電池である。

　太陽電池用の半導体としてはそのバンドギャップ（禁止帯）が太陽光スペクトル分布にあっていて、エネルギー変換効率が高く、光の吸収係数の大きいものがよい。バンドギャップとしては1.4eV（電子ボルト。波長換算で約0.8μm）程度のものがよく、CdTe（1.529eV）、CdSe（1.74eV）などのⅡ‐Ⅵ族やGaAs（1.43eV）、AlSb（1.63eV）、InP（1.34eV）などのⅢ‐Ⅴ族、さらにCuInSe₂（1.0～1.1eV）などのⅠ‐Ⅲ‐Ⅵ₂族（カルコパイライト系）化合物半導体がよく研究されている。しかし加工の容易さやコストの点で現状ではケイ素（シリコン）Siの単結晶（1.14eV）、多結晶、アモルファス（1.5～1.9eV）が適していよう。

　同種の半導体のpn接合を利用するホモ接合、異種のヘテロ接合、金属と半導体とのショットキー接合などによって太陽電池が構成されている。さらに異なった化合物半導体セルを積層化して太陽光波長の広い範囲を有効利用するタンデム形太陽電池が開発されている。また、ルテニウム錯体などを光吸収色素に用いる色素増感太陽電池や、有機半導体を用いる太陽電池、カーボン系薄膜太陽電池などが研究され、注目されている。

　太陽電池は、太陽光のスペクトルが変わっても、また同じ入力光を受光しても太陽電池の負荷条件が変わると、取り出しうる電気出力が変化する。そのため太陽電池の性能は、天頂から48.2度の入射角で斜入射する太陽光相当のAM（Air Mass。通過空気質量）1.5で100mW/cm²という人工光に対して評価されることが多い。またエネルギー変換効率は入力太陽光エネルギーと最大電気出力エネルギーの比をパーセントで表したものである。

　太陽光は無尽蔵であり、太陽電池は半導体の光起電力効果を利用していて、熱エネルギーを媒介せず、可動部分がなく静かであり、安全性に優れた無公害発電が可能である。そして化石燃料による汚染から地球を守り、エネルギー資源の有効活用を図る技術として大きな期待がもたれている。経済的な太陽光発電システムを構築するには、まず太陽電池セルのいっそうの高効率化と製造コストの低減が求められる。そのため、太陽電池に使用される半導体を含め、種々の材料の低コスト製造法の開発をはじめ、pn接合などの接合技術、さらにモジュール化からシステム化に至るまでの実に多くの研究開発が推進されている。

［浅野　満］

シリコン太陽電池

　一般に実用化されている太陽電池のほとんどはシリコンSi系で、その単結晶、多結晶、またはアモルファスが用いられている。シリコン太陽電池はシリコン半導体の厚さによりバルク形と薄膜形に分類できる。バルク形は単結晶シリコンや鋳造法によるキャストシリコンのようなバルク状結晶をスライス加工して板状とし、シリコン太陽電池に用いたものである。一方、薄膜形は半導体層の厚さが数マイクロメートル（μm）以下のアモルファス系薄膜を用いるものであるが、新しい方向として結晶（単結晶、多結晶）系シリコン薄膜が注目されている。

　単結晶Si太陽電池の理論変換効率は29％であるが、量産化モジュールのものでは約17％、多結晶で約13％、アモルファスで約9％程度である。

［浅野　満］

結晶シリコン太陽電池

最初に開発された太陽電池は単結晶Siを用いたものである。この単結晶基板はチョクラルスキー法や帯溶融法によって製作されたものであるが、大量生産化と低コスト化を図るためにリボン引上げ法やキャスティング法による多結晶Si基板を用いる研究が盛んである。

　結晶系（単結晶、多結晶）Si太陽電池では、一般にp形基板を用い、その表面の反射率を低減するためテクスチュア（凹凸）構造とする。その上にn層を形成させてpn接合とし、n層上にはさらに光透過率の高い反射防止膜を設け、受光面となるn層上には光の入射が容易なグリッド状の電極（Agなど）を、またp層裏面には全面に電極（Alなど）を取り付けたセル構造が基本である。

　p層表面のテクスチュア構造としては、異方性エッチング法などにより20マイクロメートル程度のピラミッド状の凹凸をつけたり、また機械的方法によってV字形の溝を形成して、光の多重反射により反射損失を1％以下としている。またn層表面の反射防止膜としてSiO₂やMgF₂などの薄膜をコーティングして反射率を2％以下に抑えている。

　これまでに得られた最高の変換効率は24.4％で、1998年にオーストラリアのニュー・サウス・ウェールズ大学で達成された。これは溶融帯を移動させるFZ法によって作製された高品質のSi単結晶基板を用い、逆ピラミッド形の特徴あるテクスチュア構造などを採用することによって得られたものである。

　電力用に用いる結晶Si太陽電池では、屋外環境における長期の信頼性と安定性が求められるため、モジュール化して機械的な強度と耐候性の得られる構造とされる。電池セル単体では出力電圧が約0.6ボルトと低いため多数のセルを直列に接続し、必要な電圧の12～500ボルトが得られるようになっている。そしてこのモジュールは連結して屋外に設置され（アレイとよばれる）、蓄電池、制御機器を含めた太陽光発電システムとして用いられる。

［浅野　満］

アモルファスシリコン太陽電池

アモルファスシリコンa-Si太陽電池はシランSiH₄などのガスをプラズマ（グロー放電）反応で分解して基板上に析出させた薄膜を用いるものである。結晶系と比べて低コストであり、大面積が可能で、1枚の基板上に複数のセルを直列接続して高い電圧を取り出すことができる。

　未結合手（ダングリングボンド）を水素で終端した水素化a-Siではバンドギャップが1.5～1.9eVと大きいので、出力電圧も0.8～0.9ボルトと高くできる。また光吸収係数が結晶Siより約10倍大きいので厚さ1マイクロメートルでも太陽光を十分吸収できる。

　キャリア拡散距離の大きい結晶系太陽電池ではpn形構造とされるのに対し、拡散距離が短くて局在準位が存在するa-Si太陽電池では、ノンドープの真性半導体層（i層）を挟んだpin構造が一般的である。

　1975年にスコットランドのダンディ大学において、a-Si薄膜をSiH₄のプラズマCVD法で製作することにより、価電子制御ができるようになってpn接合が可能になり、翌1976年にはpinのa-Si太陽電池がつくられた。1980年には単結晶Si太陽電池にかわってa-Si太陽電池を使用した電卓が実用化された。

　a-Si太陽電池では正孔の移動度が電子より小さいので、通常光入射側にp層を配置した構造とされている。まずガラス基板上にインジウムスズ酸化物（ITO）などの透明導電性電極層を、次にa-Siの薄いp層、i層、n層を析出し、そして裏面に金属電極を形成させる。さらに透明電極層はテクスチュア化して表面反射率を下げ、裏面電極にはAgなどの高反射金属を用いて入射光の有効利用が図られている。

　pin形a-Si単層太陽電池では、変換効率は約9.2％であるが、おもにキャリアが発生するi層へ光を効率よく到達させるために、p形a-Si層をワイドバンドギャップをもつp形a-SiC層やp形μc-SiC層で置き換えると、変換効率を12.7％に高めることができる。またナローバンドギャップのa-SiGeやワイドのa-SiCをi層に用い、分光特性の異なる半導体を2段さらに3段に積み重ねると、いっそうの高効率化を図ることができる。

　電卓などの民生用太陽電池では、a-Si太陽電池が大部分を占めている。一方、電力用は結晶系Si太陽電池が用いられているが、材料不足の心配がなく、低コスト化が期待できること、エネルギー回収年数が短いことなどから、a-Si太陽光発電システムの研究開発も進められている。

［浅野　満］

薄膜結晶シリコン太陽電池

薄膜結晶Siを用いた太陽電池はバルク結晶系よりも低コスト化が期待できる。光発電層（活性層）が数マイクロメートル～100マイクロメートルであり、バルク結晶系とアモルファスとの中間的性質を有するため、入射光を多重反射させて十分吸収させる光閉じ込め技術が鍵(かぎ)を握っている。そのため表面はテクスチュア構造とし、また裏面には高反射層がある。1995年以降注目されている太陽電池であるが、研究成果には次のようなものがある。ドイツのフラウンホーファー研究所では単結晶Siに酸素イオンを埋め込み、SiO₂膜を形成させたSIMOX基板を用い、CVD法で結晶Si薄膜を析出させて太陽電池を作製し、19.2％という高い変換効率を達成した。またソニーでは単結晶Si表面を陽極酸化して多孔質層を形成させたものを基板に用い、その上に単結晶Siのp⁺層、p層、n層を順次エピタキシャル（半導体基板上に結晶を成長させること）析出したのち、多孔質基板から剥離(はくり)してその表面に光反射防止膜と電極を、裏面に光反射層電極を取り付けて薄膜単結晶Si太陽電池を試作し、12.5％の変換効率を得た。三菱電機では表面にSiO₂層を形成させた単結晶Siウエハーを基板に用い、常圧CVD法により薄膜多結晶Si層を析出し、バイアホールとテクスチュア構造を形成したのち剥離して太陽電池を製作し、変換効率として16.0％を得ている。鐘淵化学工業ではプラズマCVD法を用いて薄膜多結晶Si太陽電池を作製している。ガラス基板上に裏面反射層を形成し、n形とi形の多結晶Si薄膜を積層し、その表面をテクスチュア構造とした後、p形多結晶Si薄膜とITO透明導電性薄膜を順次析出して、Ag電極を取り付けたものである。変換効率は10.7％である。

　今後は、新規の薄膜作製法や電池構造が研究され、いっそう低コストで高効率の薄膜結晶Si太陽電池がつくられていくものと大きな期待がもたれている。

［浅野　満］

化合物半導体太陽電池

　太陽電池に用いられる化合物半導体としては、Ⅲ族元素（Al、Ga、In）とⅤ族元素（N、P、As、Sb）とからなるⅢ‐Ⅴ族化合物（GaAs、InP、GaInPなど）、Ⅱ族元素（Zn、Cd）とⅥ族元素（S、Se、Te）とからなるⅡ‐Ⅵ族化合物（ZnS、CdS、CdTeなど）、およびⅠ‐Ⅲ‐Ⅵ₂族化合物（CuInSe₂、CuInGaSe₂など）がある。

　これらの化合物半導体では、そのバンドギャップと太陽光のスペクトルとの整合性がよく、高効率化を図ることができるだけでなく、薄膜化が容易であり、高温での変換効率の低下が少なく、耐放射線特性に優れている。また直接遷移形のエネルギー帯構造をもっているので光吸収係数が大きく、薄膜でも太陽光を十分吸収できるなどの特徴がある。

［浅野　満］

Ⅲ‐Ⅴ族化合物半導体太陽電池

太陽電池の変換効率の理論値は使用する半導体のバンドギャップで決まるが、GaAsは1.43eV、またInPは1.34eVで最適値に近く、エピタキシャル法により高純度で大きな単結晶を得ることができる。しかしSiに比べてきわめて高価である。

　1956年にバルク形のGaAs太陽電池が製作されたが、キャリアの再結合速度が10⁶～10⁷cm/sと大きいため、変換効率も6.5％と低いものであった。それでバンドギャップが2.04eVと大きいAlGaAsを窓側に用いたAlGaAs／GaAs構成のものが1991年に製作され、宇宙用太陽電池として実用化された。25.1％の変換効率が得られている。これはまずn-GaAs基板上に液体成長（LPE）法または金属有機化合物（MO）CVD法によってAlGaAs薄膜を析出し、pドーパントとしてZnをAlGaAsだけでなくGaAsにも拡散させてp-AlGaAs／p-GaAs／n-GaAsとしたものである。

　Ⅲ‐Ⅴ族太陽電池の性能のいっそうの向上を図るため、分光感度特性の異なる2種のpn接合を積層したタンデム形太陽電池が研究されている。窓側のトップセルにはバンドギャップの大きいものを、また光吸収側のボトムセルにはバンドギャップの小さいセルを積み重ねたもので、短波長から長波長までの光の変換効率を高めるくふうがされている。アメリカの国立再生可能エネルギー研究所では、トップセルにGaInP（1.88eV）を用い、その下の低抵抗のp-／n-GaAsトンネル接合を介してボトムセルのGaAsを接合した構成のタンデム形太陽電池を作製し、29.5％の変換効率を得た。1996年にジャパンエナジーでもp-／n-GaAsトンネル接合のかわりにp⁺-AlInP／p⁺-GaInP／n⁺-GaInP／n⁺-AlInPダブルヘテロ構造を用いてZnドーパントの拡散を防止したタンデム形太陽電池を開発し、変換効率として世界最高の30.28％を達成している。

［浅野　満］

Ⅱ‐Ⅵ族化合物半導体太陽電池

太陽電池用のⅡ‐Ⅵ族化合物半導体にはZnS（3.58eV）、ZnSe（2.26eV）、ZnTe（2.26eV）、CdS（2.42eV）、CdSe（1.74eV）、CdTe（1.45eV）などがある。いずれも直接遷移形で吸収端以下の波長の光に対する吸収係数が大きく、キャリアの拡散距離が短いので薄膜で利用できる。これらのなかでCdTeのバンドギャップが太陽電池として適している。またⅡ‐Ⅵ族でp、n両方の半導体特性を示すのはCdTeのみであり、ホモ接合太陽電池はCdTeに限られる。しかしn-CdTe薄膜を作製するのが難しいため、窓材にバンドギャップの大きいほかのⅡ‐Ⅵ族を用いたヘテロ接合太陽電池とされることが多い。なかでもCdSの化学的性質がCdTeによく似ているため、n-CdS／p-CdTe構成のⅡ‐Ⅵ族太陽電池がよく研究されている。

　歴史的には、1980年にアメリカのデラウェア大学でCdS／Cu₂S太陽電池が開発された。これはCdS蒸着面に湿式置換法でCu₂S層を付着させたもので、9.2％の変換効率が得られたが、性能劣化が大きく実用化されなかった。1990年（平成2）には松下電池工業でCdS／CdTe太陽電池がスクリーン印刷法で製作され、11.3％の変換効率が得られている。93年にはアメリカのサウス・フロリダ大学でMOCVD法と化学浴成長法でガラス／SnO₂:F／CdS／CdTe／Hg-C構成の太陽電池が作製され、Ⅱ‐Ⅵ族として世界最高の15.8％という変換効率を得ている。

　CdS／CdTeヘテロ接合形太陽電池のモジュールを大規模生産するために、ガラス基板のかわりに金属を用いる研究がテキサス大学とNASAルイス研究センターで行われている。とくにMo金属基板は軽量で破損強度が高く、耐久性も優れているので、In／ITO／CdS／CdTe／Cu-Te／Mo構成の太陽電池の開発を進めている。

［浅野　満］

Ⅰ‐Ⅲ‐Ⅵ₂族化合物半導体太陽電池

Ⅰ‐Ⅲ‐Ⅵ₂族化合物半導体でカルコパイライトCuFeS₂（正方晶）と同じ結晶構造をもち、擬Ⅱ‐Ⅵ族とみなすことができるものが太陽電池用として研究されている。これらはカルコパイライト系半導体ともいわれ、CuInSe₂（CISと略記。1.0～1.1eV）がよく研究されている。その他にCuInS₂（1.55eV）、CuInTe₂（0.96eV）、CuGaSe₂（1.68eV）や、CISのInの一部をGaで置換したCuGa_1-xIn_xSe₂（CIGSと略記。1.1～1.7eV）などがある。直接遷移形で光吸収係数が大きく、厚さ数マイクロメートルで十分吸収でき、比較的安価であるので薄膜形太陽電池材料として使用できる。

　CISは広い化学組成領域をもち、化学量論組成からのずれにより欠陥を導入することによって、単結晶同様の電気特性を付与することができる。そして操作の容易な電析法によって特性の優れた多結晶CIS薄膜を作製でき、CIGSも同様に共電析法によって薄膜化できる。また、CISではCu／In原子比を1以下より1以上に高めCu量を多くすると、n形からp形に特性を変えることができる。CdSはこのp-CISとpn接合により太陽電池を組み立てるときの理想的材料である。それはCdSは本来n形であり、バンドギャップが2.42eVと広く窓材に適し、CISとの格子整合性がよいからである。1999年にアメリカの国立再生可能エネルギー研究所では、このCdS／CIGS構成の太陽電池を試作し、変換効率として18.8％というCIGSを用いた太陽電池の最高記録を樹立した。その後、量産化を目ざして、成膜技術の開発とモジュールの高効率化、信頼性のさらなる向上が図られている。なお、カドミウムは環境負荷が大きいので、CdSのかわりにZnOやZnSeなどを用いる研究が進められているが、変換効率の低下は避けられないようである。

［浅野　満］

色素増感太陽電池

　半導体の光励起を利用する光化学反応では、バンドギャップ以上のエネルギーをもつ光の照射が必要である。しかしn形半導体に色素を吸着させたとき、その伝導帯レベルよりも色素のLUMO（最低空軌道）エネルギーが高い場合、色素を光励起すると色素から半導体へ励起電子が移動するため、半導体を直接光励起できないような長波長の光も有効に利用することができる。この現象は色素増感とよばれている。1986年にドイツの化学者ゲリッシャーHeinz Gerischer（1919―94）とトリブッチHelmut Tributsch（1943―　）はn形半導体の単結晶ZnOに色素としてローダミンBなどを吸着させ、光励起して光電流を取り出すことに初めて成功した。91年にはオリーガンBrian O'ReganとグレッツェルMichael Grätzelが比表面積の大きい多孔質n-TiO₂電極上に色素としてルテニウムビピリジン錯体の誘導体を吸着させて、可視光を照射して高い効率で光電流を発生させるのに利用した。また励起色素から半導体へ電子が移動すると色素が酸化されるので、電解液中にレドックス系としてヨウ素（I₂）／ヨウ化物イオン（I₃^-）を添加して色素をI₃^-イオンで還元再生し、対極でI₂を再還元してI₃^-イオンの再生を図った。したがって電解液中のI₂／I₃^-レドックス（酸化還元）系は見かけ上変化をなくすことができる。このようなシステムは色素増感太陽電池といわれ、色素増感特性を大幅に改善した研究者の名を冠してグレッツェル電池とよばれることが多い。

　n-TiO₂半導体電極は色素の吸着表面積をできるだけ大きくするとともに、入射光路を長くして変換効率を高くするためナノ多孔質薄膜とされる。この薄膜電極はTiO₂ナノ粉末のペーストを用いるドクターブレイド法、チタンアルコキシドを用いるゾルゲル法、コロイド法、スプレイ熱分解法、静電スプレイ法などにより作製されている。

　増感色素のルテニウム錯体としては、シス‐ジ（チオシアナト）‐N, N'‐ビス（2, 2'‐ビピリジル‐4, 4'‐ジカルボン酸）ルテニウム（Ⅱ）のRuL₂(SCN)₂が有名であるが、低コストでより高性能な増感色素の開発に関心が集まっている。酸化還元系にはメタノールに溶解したジメチルフェロセン°／ジメチルフェロセン⁺や、アルカリ水溶液のS^2-／S_n^2-系、Se^-2／Se_n^-2系などがある。また新しい増感色素としてRuフェナントリロンやRuジケトナート、Ruなどの金属を含まないものではクマリン系、メロシアニン系などが、そして酸化物半導体材料にはTiO₂のほか、Nb₂O₃、ZnO、SnO₂、ZnO-SnO₂複合材料などが研究されている。さらに溶液系電解質のかわりに常温溶融塩電解質を用いる研究や、全体を固体化して長期の安全性を高めるために、ゲル状電解質や導電性高分子電解質などが検討されている。

　変換効率は一般に2～6％であるが、2000年にスウェーデンのウプサラ大学ではO₂／Arガス中でTi金属を反応DCマグネトロンスパッタリング法によりナノ結晶TiO₂薄膜を析出させ、RuL₂(SCN)₂を吸着後、4‐tert‐ブチルピリジン処理して、6.9％という大きな変換効率を得ることに成功している。

　色素増感太陽電池は安価で変換効率も向上しており、将来Si太陽電池と十分競合できるようになるとされている。

［浅野　満］

有機半導体太陽電池

　共役二重結合をもつ有機化合物では、分子内のπ(パイ)電子が自由電子的に挙動するので導電性があり、これらの有機半導体を用いる太陽電池が研究されている。有機分子や有機高分子などの有機半導体の場合、三次元的な結晶格子が形成されず、分子内や分子間の相互作用が大きく、また局部的に無秩序な構造も存在するため、バンド構造の計算は無機半導体より複雑である。そのため古典的なバンドモデルによって有機半導体の光起電力効果がごく定性的に理解されている。

　有機半導体を用いる太陽電池には、ショットキー接合形とpnヘテロ接合形がある。前者は仕事関数の大きい金属（またはITO）上に有機p形半導体とIn（またはAl）コンタクト電極を順次析出させた構造である。また後者はガラス基板上にITO電極、有機n形半導体、有機p形半導体、Au（またはAg）電極を順次析出させたものが一般的で、ガラス基板側から太陽光を照射する。しかし前者は空気中における安定性に欠け、短絡電流密度が急減するので、後者がいっそうの変換効率の向上を目ざして精力的に研究されている。

　代表的なp形の有機分子にはフタロシアニン、テトラフェニルホスフィンが、n形にはペリレンテトラカルボキシジイミド誘導体などがある。また有機高分子にはp形のオクチチオフェンやn形のポリフェニレンビニレンなどがある。

　変換効率は1970年代では約10^-5％であり、1990年になっても約0.5％に過ぎなかった。しかし2000年（平成12）には金沢大学工学部と日本触媒で、弱い電子ドナーの5, 10, 15, 20‐テトラ（2, 5‐ジメトキシフェニル）ポルフィリンアト亜鉛と弱い電子アクセプターの5, 10, 15‐トリフェニル‐20‐（3‐ピリジル）ポルフィリンからなるヘテロダイマー（HD）を作製し、これを電子アクセプターのペリレン‐3, 4, 9, 10‐テトラカルボキシ‐ビス‐ベンズイミダゾール（PV）と電子ドナーの3‐カルボキシメチル‐5［（3‐メチル‐（3H）‐ベンゾチアゾリジン）エチリジン］‐2‐オキソ‐4‐チアゾリジノン（MC）で挟み、Al／PV／HD／MC／Auの三層構造のものをつくり、共役有機半導体太陽電池の変換効率としてこれまで最高の3.51％を記録している。

　さらに、有機無機ハイブリッド太陽電池が研究されている。2000年にフランスのルイ・パスツール大学などでは、ポリ（3‐メチルチオフェン）にPF₆^-をドープしたPMeT(PF₆^-)とSbをドープしたCdS(Sb)を用い、ITO／CdS(Sb)／PMeT(PF₆^-)／Au構成のものを組み立て、3.5％の変換効率を得ている。

　有機半導体太陽電池を実用化するためには、有機半導体の導電率をよくして短絡電流密度を高め、またp形とn形のフェルミ準位差を広げて開放電圧を大きくし、変換効率を少なくとも5％以上に高めなければならないだろう。しかし原料が安価で製作コストも安いという利点があり、現行のシリコン太陽電池にかわって将来実用化していくものと期待されている。

［浅野　満］

カーボン系薄膜太陽電池

シリコンのかわりにアモルファスカーボンなどの光感度の高いカーボン系半導体薄膜を用いた太陽電池である。カーボン系材料は安価なものが多く、また環境に優しく、低温で製膜できるため、太陽電池のコストの低減が期待されている。そのため、1996年ごろから、グラファイトや天然資源の樟脳(しょうのう)C₁₀H₁₆O、フラーレンC₆₀、2, 5‐ジメチル‐p‐ベンゾキノン(CH₃)₂C₆H₂O₂および炭化水素ガスなどの炭素源を原料に用い、イオンビームスパッタリング法、熱分解法、パルスレーザー析出法、分子線エピタキシー法、プラズマCVD法などにより、シリコン基板上にアモルファスカーボン薄膜を析出させ、それらの半導体的性質を利用して、n-C／p-Si、p-C／n-Si、n-C／p-C／p-Siおよびp-C／n-C／n-Si構成などのカーボン系薄膜太陽電池の研究・開発が進められている。

　2001年に中国の新疆(しんきょう)大学と清華大学では、n-Si(100)表面にメタン‐水素‐酸化ホウ素の混合ガスを用いるアーク放電プラズマCVD法によって、ホウ素ドープのp形アモルファスダイヤモンド状カーボン薄膜を析出させて、p-C／n-Si構成のカーボン系薄膜太陽電池を作成し、エネルギー変換効率としてこれまでで最高の7.9％を得た。中部大学と名古屋工業大学のグループでは、2002年（平成14）からNEDOの委託を受けて、シリコン基板を使用しない構成のp-C／i-C／n-C／透明導電膜／プラスチック基板よりなるフレキシブル（柔軟）なカーボン系薄膜太陽電池の開発を進めており、エネルギー変換効率を8％に向上させる研究を推進している。

［浅野　満］

『高村勉・佐藤祐一著『ユーザーのための電池読本』（1988・コロナ社）』▽『浜川圭弘・桑野幸徳編『太陽エネルギー工学――太陽電池』（1994・培風館）』▽『京セラソーラーエネルギー事業部編著『太陽エネルギーへの挑戦――太陽電池の時代がやってきた』（1994・清文社）』▽『桑野幸徳・中野昭一・岸靖雄・大西三千年著『太陽電池とその応用――エレクトロニクス製品から電力用発電まで』改訂版（1994・パワー社）』▽『西村昭義著『現代生活の必須アイテムを正しく活用するための電池の本』改訂版（1996・CQ出版）』▽『池田宏之助編著、武島源二・梅尾良之著『「図解」電池のはなし』（1996・日本実業出版社）』▽『山本重雄著『ソーラー電池のはなし』（1997・日刊工業新聞社）』▽『桑野幸徳・武岡明夫編著『太陽電池活用ガイドブック――こうして使う太陽電池』（1998・パワー社）』▽『浜川圭弘編著『太陽光発電最新の技術とシステム』（2000・シーエムシー）』▽『電池便覧編集委員会編『電池便覧』（2001・丸善）』▽『山田興一・佐藤登監修『新エネルギー自動車の開発と材料』（2001・シーエムシー）』▽『小長井誠編著『薄膜太陽電池の基礎と応用――環境にやさしい太陽電池発電の新しい展開』（2001・オーム社）』▽『荒川裕則監修『色素増感太陽電池の最新技術』（2001・シーエムシー）』▽『山本重雄著『太陽電池システムのはなし』（2001・日刊工業新聞社）』▽『『二次電池の開発と材料』普及版（2002・シーエムシー）』▽『山田興一・小宮山宏著『太陽光発電工学――太陽電池の基礎からシステム評価まで』（2002・日経BP社）』