アモルファスと聞くと私などはアモルファスSi太陽電池を思い浮かべます。アモルファスSi太陽電池も結晶Siに比べて効率は劣るものの柔軟・軽量・低コストの可能性があるとして随分持てはやされました。しかし、太陽光下で使うと光で劣化してしまうという太陽電池としては致命的な欠陥があり、実用化には至りませんでした。

アモルファスポリマーは光劣化しないのでしょうかね。

アモルファス材料として実用化されているものにアモルファス金属があります。アモルファスだと原子がランダムな方向に結合していますので、きちんと原子が並んだ結晶構造よりも機械的強度が増すため、強度が必要な用途に使われます。一方、アモルファスSiの場合は電気的性質が重要で、ランダムな方向に原子が結合していると電子状態が不安定になって光劣化したのかな、と私は思っています。そうだとすると、ポリマーの場合でもアモルファスだと光劣化するかもしれませんね。

ポリマー太陽電池というのは特殊な用途に使え面白そうですが、なかなか使えるものが出てきませんね。

よく話題になる結晶シリコン太陽電池のスネイルトレイルよりはずっと細く短いのですが、パネルの下部に密集して発生しています。パネルの下部にだけあるので、おそらく端から水が浸入してできたのだろうと思いますが良く判りません。参考のためにIRを撮ってみました。下の写真です。

何となくスネイルトレイルらしき模様が見えますが、発電に影響を与える程かどうかは判りません。まぁ、良くは無いでしょうけれど・・・。この太陽電池はセルを縦に切って集積してありますので、スネイルトレイルらしきものの悪影響があっても限定的にはなるのが幸いです。集積型でセルを縦に切った形に設置してあると、影の影響を少なくする時も有効ですね。

この太陽電池はアモルファスですが、同じような構造のCISでもこのような現象が起こるのでしょうかね。ちょっと気になります。

結晶シリコンの太陽電池にも少しスネイルトレイルが見られました。下の写真です。

ごく普通のスネイルトレイルです。よーく見ないと判らない程度でした。これぐらいなら特性には影響ないでしょう。スネイルトレイルが特性にどのような影響を与えるかはまだよく判っていないようですが、とにかく日本の太陽電池にもスネイルトレイルが出ることがあると判ったのは収穫でした。

ヘテロ接合と言えばあのサンヨー、今はパナソニックが30年近く前に開発したHITの技術ですね。バックコンタクトはもっと前に開発されていたと思いますが、今ではアメリカのサンパワーが製品に使っている技術。この二つの組み合わせた太陽電池の開発には本家のパナソニックも取り組んでいますが、変換効率ではカネカが少し先行しているようです。

バックコンタクトは構造の技術なので、ある程度の技術力があれば導入できそうですが、ヘテロ接合はキーとなるアモルファス層に製造ノウハウが必要そうに思えます。カネカはサンヨーと同じく、サンシャインの時からアモルファス太陽電池の研究に取り組んでいました。従って、アモルファスの技術をいろいろ蓄積しているので、パナソニックに先行して効率達成することができたのでしょう。

しかし、これまでずっとカネカｎ対して感じていたのですが、カネカってどこまでやる気があるのか良く判りません。上記の技術も基本的には他社が開発し既知になっていますので特別なものではありません。二つの技術を組み合わせるところにノウハウがあるのでしょうが、それを独自技術として他社に勝てるのでしょうかね。また、太陽電池ビジネスについても中途半端で、本気で取り組むのかどうか良く判りません。

経営層が迷っているのか、現場が迷っているのか、不可解な会社に感じます。

a-Si太陽電池は一時期脚光を浴びましたが、光劣化するという致命的な欠陥が解決できず、今ではあまり顧みられなくなっています。光をあてて使う道具が、光をあてると劣化するというのではまるでギャグみたいな太陽電池ですが（この太陽電池はできるだけ光をあてないで下さい、なんて）・・・。

で・・・・、

a-Siと結晶シリコン（c-Si）はかなり物性が違います。

まずa-Siはc-Siより光の吸収効率がずっと良く、1um以下の厚みで十分光を吸収し太陽電池が作れてしまいます。これが当初a-Siが脚光を浴びた理由でした。当時のc-Siは非常に高く、a-Siだと厚みが数十分の１で済むので大幅に安くなると考えられました。

確かにコストは下がったのですが、a-Siを作るプロセスに意外にコストがかかり、思ったほどのコストダウンにはならなかったようです。それに最近はc-Siのコストがずいぶん下がったので、a-Siは競争力を失いつつあります。

次に光の吸収領域がかなり違います。

これを説明するために下の図を作りました。

a-Siが光吸収できるのは波長が0.3-0.8umぐらいの領域です。

c-Siが光吸収できるのは0.3-1.1umぐらいです。

ところで、図のように太陽の光は0.3umぐらいから3umぐらいまでの波長の光からなっていて、そのうち目に見えるのは0.3umぐらいから0.8umぐらいまでです。

残念ながら太陽電池はこの光を全部吸収できるわけではありません。これが太陽電池の変換効率を律速する大きな要因になっています。当然、吸収できる範囲の広いc-Siの方が有利で、変換効率も高くなります。

さて・・・、

説明で気が付いたと思いますが、a-Siの吸収帯域はちょうど可視光領域と一致しています。a-Siの吸収領域はc-Siより狭いですが、逆にこの領域の光に対してなら、c-Siより変換効率が良くなっています。従って、可視光だけで使うならa-Si太陽電池の方がc-Si太陽電池より良いということになります。

ということは、

蛍光灯は可視光だけなのでa-Si太陽電池を使った方が良いということになります。今ならLEDに対してもa-Si太陽電池の方が良いと言った方がいいかもしれません。

室内で使う電卓などにa-Si太陽電池を使っていることは意外に合理的だったわけです。

a-Si太陽電池が蛍光灯に対して変換効率が良いということに関して、過去に面白い逸話があります。この際、脱線し続けて次回はその話をします。

HITというのはHetero Intrinsic Thin layerの略で、太陽電池の構造を示しています。説明図がないかなと思ってwebを探すと、パナソニックが日経のセミナーで使った資料がアップされていましたので、引用します。

太陽電池はp型半導体とn型半導体を重ねたpn接合と言われる構造の性質を利用したものですが、この接合に少しロスがあって、なかなか変換効率が上がりませんでした。しかしサンヨー（当時）がこの接合面にアモルファスシリコンを用いることでロスをかなり改善できることを発見し、その構造の太陽電池を開発してHITと名付けました。

Heteroは異質という意味で、結晶に対しアモルファスが異質であることを示しています。

Intrinsicは中性で、pでもnでもない中性のアモルファス膜を使っていることを示しています。

Thin-layerはこの中性アモルファス膜が薄膜であることを示しています。

上の図では少し判りにくいですが、図でアモルファスシリコン層と示されているところはi層とp層、あるいはi層とn層からなっています。つまり薄いi層が使われているということになります。

当初はこのHIT膜は光が入ってくる表面にだけ使われていましたが、今では上図のように両面に使われるようになっているみたいです。

これを発見したサンヨーはかつてアモルファス太陽電池で世界をリードする立場にいましたが、アモルファス太陽電池は光劣化が解決できず、その後結晶型太陽電池に乗り換えたので、逆に太陽電池の世界で出遅れた感がありました。そのような中でHITを発明し、逆転したことは見事だったと思います。

HIT出てきたのはもう20年以上前なので、もう基本特許は切れているのでしょう、最近は欧米の会社から同様な効果を狙った太陽電池が出てきているようです。これに対抗してパナソニックは上図のような両面HIT構造やいろいろな新しい技術開発を重ねています。

技術的には確実に他社より優れているHIT太陽電池ですが、構造的にどうしてもコストアップになると思います。他社との技術競争や中国の廉価路線に対抗していけるのか、パナソニックにはまだまだ頑張って欲しいところです。

当時の太陽電池は結晶 Si (シリコン)基板を使ったもので、市場が小さい上に基板が高価なため、太陽電池もいまの100倍近いコストになっていました。

アモルファスSiは元素は同じSiですが、結晶はきれいに原子が並んでいるのに対し、アモルファスは全くランダムに並んでいます。構造が違うだけで性質がかなり変わり、光の吸収がずっと良くなります。他にもいろいろな理由がありますが、結果として、結晶で太陽電池を作ると0.5mmぐらいの厚みが必要だったのに対し、アモルファスの場合は1ミクロン以下の厚みで太陽電池が作れると言われていました。また、製造時においても、結晶に比べてずっと低い温度で太陽電池を作ることができます。

このようなことから結晶Si太陽電池に比べてずっと安くできると期待されていたのですが、光劣化があること、変換効率が少し低いこと、意外に製造コストが下がらないこと、などの理由から今ではすっかり下火になってしまいました。

このアモルファスSi太陽電池について、次回から少し話題を提供していきたいと思っています。興味のある人はぜひお付き合い下さい。