資料 3 太陽光発電の将来展望 - cabinet office · 2018. 11. 20. ·...
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太陽光発電の将来展望太陽光発電の将来展望ーー20102010年以降を見据えた太陽光発電年以降を見据えた太陽光発電ーー
平成15年1月29日平成15年1月29日東京工業大学大学院理工学研究科 小長井 誠東京工業大学大学院理工学研究科 小長井 誠
資料 3
1.太陽光発電1.太陽光発電の導入ビジョンの導入ビジョン
2.ビジョンを実現するための開発目標2.ビジョンを実現するための開発目標
3.3.20102010年以降を見据えた太陽電池開発年以降を見据えた太陽電池開発
高効率エネルギー変換の必要性 高効率エネルギー変換の必要性
材料開発におけるブレイクスルー 材料開発におけるブレイクスルー
4.用途に見合った太陽電池開発4.用途に見合った太陽電池開発
はじめにはじめにCOCO22削減技術としての太陽光発電削減技術としての太陽光発電((PV)PV)
PVPVののCOCO22排出削減効果の議論排出削減効果の議論((PVTEC, 2002)PVTEC, 2002)
太陽光発電が1兆円産業に育っていくための「産業ビジョン」太陽光発電が1兆円産業に育っていくための「産業ビジョン」((JPEA, 2002)JPEA, 2002)
ビジョンを実現に導く最も基本的で重要な要素は、ビジョンを実現に導く最も基本的で重要な要素は、「太陽電「太陽電池の技術開発」池の技術開発」そのものである。そのものである。
太陽電池開発の進展太陽電池開発の進展
第1世代:バルク第1世代:バルクSiSi太陽電池(単結晶太陽電池(単結晶SiSi、、キャストキャストSiSi)) 第2世代:薄膜系第2世代:薄膜系--ハイブリッドハイブリッドSiSi, Cu(InGa)Se, Cu(InGa)Se22(CIGS)(CIGS) 第3世代:??第3世代:??
将来を担う第3世代太陽電池とは2
太陽光発電太陽光発電((PV)PV)システムの付加価値システムの付加価値
-- PVPVののCOCO22排出削減効果排出削減効果ーー
・炭素の削減コスト: 30,000円/t-Cと仮定(IPCC第3次評価報告書を参考)
・PVによるCO2排出抑制量: 90 g-C/kWh
・PVのCO2排出削減効果の金額換算: 2.7円/kWh
PVによる発電電力量(kWh)あたりのCO2排出抑制量
901031031998年度平均電源構成
166178178LNG火力
256270270石炭火力
188200200石油火力
PVによるkWhあたり排出抑制量(g-C/kWh)
既存系統のCO2排出原単位(g-C/kWh)
種類種類
出典:太陽光発電技術研究組合(PVTEC)、戦略企画小委員会資料より(2002) 3
太陽光発電産業創生へのロードマップ太陽光発電産業創生へのロードマップ
大型集中発電の実用化
事業用系統並
電灯料金並
~60円
/kWh発電コスト
<200250~300~~700700**住宅相当システム価格(円/W)
82802870482国内累積設置量 (万kW)
1005430123~~2020単年度設置量 (万kW)
22,50012,5004,7301,100**1,100**市場規模(億円)
2030年2020年2010年現状
太陽光発電協会(JPEA)による、** 2001年、*NEFホームページ4
太陽電池の種類、性能の現状、生産量太陽電池の種類、性能の現状、生産量
10 (110 (1cmcm22))色素増感セル色素増感セル
16.4 (116.4 (1cmcm22))11 (11 (R&D)R&D)CdTeCdTe
~1~1MW/yMW/y18.8 (0.2518.8 (0.25cmcm22))10 (10 (生産生産))14 (14 (R&D)R&D)
Cu(InGa)SeCu(InGa)Se22 (CIGS)(CIGS)
33MW/yMW/y14.5 (114.5 (1cmcm22))10 (10 (生産生産))13 (13 (R&D)R&D)
aa--SiSi//µµcc--SiSi ハイブリッドハイブリッド
3333MW/yMW/y13 (0.2513 (0.25cmcm22))7~8 (7~8 (生産生産))10 (10 (R&D)R&D)
アモルファスアモルファス SiSi((aa--SiSi))薄膜形薄膜形
宇宙、集光宇宙、集光30.3 (430.3 (4cmcm22))GaInPGaInP//GaAsGaAs タンデムタンデム
宇宙応用宇宙応用25.1 (3.925.1 (3.9cmcm22))GaAs GaAs 100 100 sunssuns26.8 (1.626.8 (1.6cmcm22))SiSi 集光集光
190190MW/yMW/y19.8 (119.8 (1cmcm22))13~16 (13~16 (生産生産))キャスト 多結晶キャスト 多結晶SiSi140140MW/yMW/y24.7 (424.7 (4cmcm22))13~16 (13~16 (生産生産))単結晶単結晶SiSi
バルク形バルク形
生産量生産量
(2001(2001年)年)
小面積セル効率小面積セル効率
(%)(%)モジュール効率モジュール効率
(%)(%)太陽電池材料太陽電池材料
5
世界の太陽電池の生産量推移世界の太陽電池の生産量推移
83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 10
50
100
150
200
250
300
350
400
西暦(年)
単結晶Si多結晶SiSiリボンa-Si
6
33kWkW住宅用住宅用PVPVシステム価格の推移システム価格の推移
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 20010
2000
4000
6000
8000
10000
12000
YEAR
m oduleother equipm entsinstallation cost
7
20302030年にむけた開発目標、導入目標年にむけた開発目標、導入目標
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2000 2005 2010 2020 20300
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
西暦
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���������� 電力料金(円/kWh)
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���������� 太陽電池設置量(GW)
Si太陽電池、Si系薄膜太陽電池、Cu(InGa)Se2太陽電池
革新的太陽電池
第1世代、第2世代型太陽電池
第3世代型太陽電池
25円/kWh
エネ庁、新エネルギー技術戦略(2000)をもとに作成 8
ビジョンを実現するための太陽電池開発ビジョンを実現するための太陽電池開発
▾▾太陽電池の生産量推移太陽電池の生産量推移
20012001年度の世界の太陽電池生産量は年度の世界の太陽電池生産量は394394MWMW第1世代の太陽電池が主流第1世代の太陽電池が主流
アモルファス系 アモルファス系SiSi薄膜太陽電池は薄膜太陽電池は33.533.5MWMW
▾▾第3世代の太陽電池に要求される条件第3世代の太陽電池に要求される条件20302030年の生産量予測:国内年の生産量予測:国内10001000万万kW/kW/年年
仮に仮にSiSi太陽電池で賄うとすると;太陽電池で賄うとすると;
変換効率 変換効率2020%の太陽電池を%の太陽電池を55x10x1077 mm22
10cm10cm角換算で角換算で5050億枚、億枚、11分間に分間に1000010000枚枚
SiSiの総重量:の総重量:1010万トン万トン
75円/W以下を視野に入れた太陽電池開発
9
太陽電池モジュール技術開発のロードマップ太陽電池モジュール技術開発のロードマップ
2000 2005 2010 2020 2030(年)
技術開発レベルのモジュール製造コスト(円/W)(100MW/年生産時)150 100 75 50
バルクSi系薄膜化:150-200µmη=15-17%
バルクSi系:未踏領域薄膜化:50µm, η:20%(PVTEC,Fraunhofer ISE 提案)
Si薄膜系:大面積・ハイブリッドモジュールの高効率化、低コスト化η=10% 12% 13% 16%
CIGS系薄膜系:大面積モジュールの高効率化、低コスト化η=13% 16% 18%
Si系、CIGS系以外の新材料系 η>10% が条件 Cu(InGa)Se2:CIGS
10
高効率化による低コスト化高効率化による低コスト化
変換効率の現状変換効率の現状 高効率化は低コスト化に向けての最重要な課題 高効率化は低コスト化に向けての最重要な課題
(製造コストは(円 (製造コストは(円//W):W):出力アップで低コスト化)出力アップで低コスト化)
変換効率を飛躍的に向上させる方法変換効率を飛躍的に向上させる方法 集光動作(電気事業用としては有望) 集光動作(電気事業用としては有望)
太陽電池材料による理論限界 太陽電池材料による理論限界
理論限界をうち破る方法はあるのか(欧州で研究が活発) 理論限界をうち破る方法はあるのか(欧州で研究が活発)
現実的には、タンデム(多接合)化が最も重要 現実的には、タンデム(多接合)化が最も重要
■■ 高効率化による周辺コストの低減高効率化による周辺コストの低減 10%10%以下のモジュール効率では応用分野が制限される以下のモジュール効率では応用分野が制限される
(住宅用には最低 (住宅用には最低10%10%必要)必要)11
1.0 1.5 2.0
10.0
20.0
30.0
Bandgap (eV)
Eff
. (%
)
Voc=Eg-0.3
Eg-0.4
Eg-0.5
Eg-0.6
n=1.6
Si GaAs
InP
CdTe
CIGS
a-Si
厚さ2µmの多結晶Si
単結晶多結晶アモルファス
シングル接合太陽電池の理論効率と実測値
12
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
W avelength (nm )
放射強度
利用できォる成分
透過成分
太陽光の分光放射照度分布と損失成分
Siの基礎吸収端
透過による損失
hν-Egによる損失
利用可能なエネルギー
13
多接合系太陽電池による超高効率化多接合系太陽電池による超高効率化
短波長のフォトンをエネルギー変換
長波長のフォトンをエネルギー変換
禁制帯幅Eg1(2.13eV)
禁制帯幅Eg2(1.55eV)
禁制帯幅Eg3(1.13eV)
禁制帯幅Eg4(0.71eV)
太陽光
単結晶4接合で54%、2接合で36%の理論変換効率14
薄膜系タンデム太陽電池の薄膜系タンデム太陽電池の理論変換効率と実績、予測理論変換効率と実績、予測
1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Top Cell Band Gap (eV)
Bot
tom
Cel
l Ban
d G
ap (e
V) 20
22
23
24
■■SiSi系系 現状:現状:1010~~12%12% (シングル接合) (シングル接合)
将来: 将来:1515~~18%18% (タンデム) (タンデム)
■■Cu(InGa)SeCu(InGa)Se22系系
現状:現状:1818~~19%19% (シングル接合) (シングル接合)
将来: 将来:2020~~25%25%(タンデム)(タンデム)2端子系
上記の効率は小面積セルのエネルギー変換効率15
20102010年以降、最も期待される年以降、最も期待されるSiSi薄膜太陽電池薄膜太陽電池aa--SiSi//µµcc--SiSiハイブリッド(タンデム)ハイブリッド(タンデム)
アモルファス Si ~0.3µm
青板ガラス
Ag/Al
凹凸構造を有するSnO2透明導電膜
p形 a-SiC
ZnO
sunlight
n形 a-Si
p形 µc-Si
微結晶 Si ~3µm
n形 a-SiZnO
ハイブリッド太陽電池
の性能の現状
技術開発レベル(初期効率)
小面積: 14.5%(1cm2)大面積: 12.3% (40cmx120cm)
市販レベル(安定化効率)
大面積モジュール:10%(40cmx120cm)
16
化合物薄膜系タンデム太陽電池化合物薄膜系タンデム太陽電池((米国米国NREL:pathway to 25% efficiency)NREL:pathway to 25% efficiency)
Glass/ss/polymer
Mo
CuInGaSe2 1.1eV
CdS
p-CuAlO2, CuGaO2, SrCu2O2 3.3eV
CuGaSSe2/CuGaSe2/CuInAlSe2
/CdZnTe/CdSe 1.7eV
CdSITO
17
太陽電池の材料開発に賭ける夢太陽電池の材料開発に賭ける夢
半導体材料半導体材料
未開発の材料はあるのか?未開発の材料はあるのか?
多結晶 多結晶SiSiと微結晶と微結晶SiSiはどこが違うのか?はどこが違うのか?
有機半導体への夢有機半導体への夢
ペンタセン、ペンタセン、CNTCNT、、フラーレンフラーレン
( (TFTTFT、、ELELでは実績)では実績)
色素増感セル色素増感セル
真空を使わない低コスト製造真空を使わない低コスト製造
18
太陽電池用半導体の禁制帯幅太陽電池用半導体の禁制帯幅
CuInTeCuInTe22
CuInSeCuInSe22
CuInSCuInS22
CuGaTeCuGaTe22
CuGaSeCuGaSe22
CuGaSCuGaS22
CuAlTeCuAlTe22
CuAlSeCuAlSe22
CuAlSCuAlS22
半導体半導体
0.820.821.041.041.531.531.241.241.61.62.52.52.062.062.72.73.53.5
EgEg((eVeV))
1.771.77SeSe0.360.36InAsInAs
1.51.5ZnZn33PP221.351.35InPInP2.02.0CuCu22OO2.42.4InNInN
0.720.72GaSbGaSbaa--SiGeSiGe1.441.44CdTeCdTe1.431.43GaAsGaAsaa--SiCSiC1.721.72CdSeCdSe2.242.24GaPGaP1.71.7--1.81.8aa--SiSi2.422.42CdSCdS3.393.39GaNGaN1.11.1--2.02.0µµcc--SiSi合金合金
2.232.23ZnTeZnTe1.621.62AlSbAlSb~~1.11.1µµcc--SiSi2.72.7ZnSeZnSe2.132.13AlAsAlAs0.60.6GeGe3.63.6ZnSZnS2.452.45AlPAlP1.11.1SiSi
EgEg((eVeV))半導体半導体EgEg((eVeV))半導体半導体EgEg((eVeV))半導体半導体
謎が多い微結晶Siカルコパイライト系は種類が豊富! CIGS以外の新材料系の可能性
19
微結晶Siの構造 ー代表的な“ナノ構造”いわゆる多結晶Siと微結晶Siは全く異なる。微結晶Siは21世紀の新材料
SiH
20
有機半導体太陽電池有機半導体太陽電池Organic Photovoltaic FilmsOrganic Photovoltaic Films
2.52.50.610.610.820.825.255.25MDMOMDMO--PPVPPV--PCBMPCBM
3.63.60.520.520.530.531313Cu Cu phthalocyaninephthalocyanine/C/C6060 bilayerbilayer cellcell
2.42.40.470.470.970.975.35.3ZnOZnO//pentacenepentacene/ITO/ITO
(thin film)(thin film)
4.54.50.660.660.900.907.77.7ZnOZnO//pentacenepentacene/Pt/Pt
(single crystal)(single crystal)
EfficiencyEfficiency(%)(%)
FFFFVocVoc(V)(V)
IscIsc(mA/cm(mA/cm22))
Materials systemMaterials system
21
色素増感太陽電池色素増感太陽電池
Advantages★non-vacuum process★inexpensive component
materials
Technical issues★improvement in
efficiencies and stability★design of large area
modules★replacement of liquid
electrolyte by solid-state materials
TCO
I-/I3- electrolytes
Dye
Glass
GlassTiO2 nano-crystalline (10~30nm) thickness 10μm
TCO
製膜プロセスの低コスト化
性能の現状:
EPFL-NREL:10.4%, 0.18cm2, AIST-PCRC;8.4%, 0.21cm2
22
BP SolarBP Solar社の薄膜太陽電池撤退の背景社の薄膜太陽電池撤退の背景
と我が国の開発指針との相違と我が国の開発指針との相違20022002年年1111月月BP SolarBP Solar社は社はaa--SiSi,,CdTeCdTeから撤退から撤退・シャープを追いかけるためにバルク・シャープを追いかけるためにバルクSiSiに集中に集中・・BPBPののaa--SiSi, , CdTeCdTe薄膜太陽電池の生産レベルでのモジュー薄膜太陽電池の生産レベルでのモジュール効率はル効率は55--7%7%
・生産はストップするが開発は続行・生産はストップするが開発は続行
米国の薄膜系の主力は、今後米国の薄膜系の主力は、今後United Solar(United Solar(aa--SiSi),),Shell Solar(CIGS), First Solar(Shell Solar(CIGS), First Solar(CdTeCdTe))
BP社は効率の低いa-Si/a-SiGeに拘りすぎた。我が国は、モジュール効率を12-14%にすべくハイブリッド系へすでに移行
If someone can get efficiency in the low teens, thin films will have a shot (Shimp,President & CEO, BP Solar) 23
20102010年以降を見据えた太陽電池開発年以降を見据えた太陽電池開発
ーー用途に応じた展開用途に応じた展開ーー
住宅用住宅用 高効率、低コスト、デザイン性高効率、低コスト、デザイン性
年間発電量での議論が重要(温度依存性、 年間発電量での議論が重要(温度依存性、air massair mass依存性依存性))
温度環境温度環境 砂漠や赤道高温地帯は、禁制帯幅の大きなハイブリッド砂漠や赤道高温地帯は、禁制帯幅の大きなハイブリッド,,CIGSCIGS
は有利は有利
宇宙応用宇宙応用 アーサアーサ..D.D.リトル社のリトル社のP.E.GlaserP.E.Glaserによる太陽光発電衛星による太陽光発電衛星((SPS)SPS)
の提案:の提案:500500万万kWkWの発電衛星の発電衛星
宇宙での発電には、耐放射線性に優れ、また重量あたりの出力宇宙での発電には、耐放射線性に優れ、また重量あたりの出力が大きいフィルム基板が大きいフィルム基板CIGSCIGSが極めて有望が極めて有望
耐放射線性は耐放射線性はSiSi<<GaAsGaAs<<InPInP<CIGS<CIGS
24
宇宙用を目指す高効率CIGS系薄膜太陽電池
25
ーー米国では米国ではTPVTPVの開発が活発の開発が活発ーー
熱エネルギーを光エネルギー(黒体、特定波長)に変換してから太陽電池で発電熱エネルギーを光エネルギー(黒体、特定波長)に変換してから太陽電池で発電
熱源には燃料の燃焼、太陽光の集光、廃熱などを利用(熱源には燃料の燃焼、太陽光の集光、廃熱などを利用(13001300~~18001800KK))
総合エネルギー変換効率総合エネルギー変換効率1313--22%22%が期待される(現状はが期待される(現状は55~~8%8%))
遠隔地で(宇宙でも)発電可能。遠隔地で(宇宙でも)発電可能。TPVTPV自動車自動車
小規模から大規模まで(小規模から大規模まで(100100WW~~100kW100kW))
太陽電池材料
GaSb, InGaAs..
Emitter材料
SiC, MgAl2O4…
TPV:
Thermophotovoltaics資料提供:豊田工大、山口真史教授
26
むすびむすびーー20102010年以降を見据えた太陽電池開発のポイントー年以降を見据えた太陽電池開発のポイントー
次世代超高効率薄膜太陽電池開発次世代超高効率薄膜太陽電池開発 モジュール効率:モジュール効率:1515--16%16%を目指すを目指すSiSi系薄膜タンデム系薄膜タンデム 1818--20%20%を目指す化合物薄膜タンデムを目指す化合物薄膜タンデム
次世代シリコン系太陽電池次世代シリコン系太陽電池 低コスト化、高効率化のための革新技術低コスト化、高効率化のための革新技術 (厚さ(厚さ5050µµmmの高効率セル)の高効率セル)
革新的次世代太陽電池=革新的次世代太陽電池=SiSi, CIGS, CIGS以外の新材料系ではない!以外の新材料系ではない!
有機半導体、色素増感セルは、モジュール効率有機半導体、色素増感セルは、モジュール効率10%10%の壁の壁
バルク型Si太陽電池の量産化を迎えたphaseでの新技術開発のあり方
国際共同研究拠点を国内に形成し、世界をリード27