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研究開発(R&D)に役立つ書籍

2010-10-03

新コンセプト太陽電池と製造プロセス

13:02

技術者研究者向けの専門書籍紹介

新コンセプト太陽電池と製造プロセス

発刊日 2009年5月 ISBN 978-4-7813-0092-4

体 裁 B5判・305頁

刊行のねらい

 地球規模でエネルギー革命が産業界に広がりつつある。自然エネルギーを用いる電源開発に各国の政府民間企業が着手し,新規事業の立ち上げに拍車がかかっている。 

 Bell Telephone Laboratoryの発明(1954年)に始まった太陽電池開発は,半世紀が経過した。エネルギー変換効率は半導体pn接合の先端技術によって20%以上に届き,結晶シリコン太陽電池は効率と耐久性の点でもっとも信頼できる光発電技術として普及している。ここ数年,政治的問題としても石油資源の確保と炭酸ガス排出削減が深刻化するなかで,太陽電池開発への将来投資はこれまでにない活発さを呈し,技術競争も激化している。その一方で,IT社会による半導体材料の消費拡大,ドイツスペインを中心とする西欧での太陽電池の需要増によって,金属シリコンなど半導体原料の将来供給が懸念され,その代替となる有機系材料や量子ドットなどを用いる新コンセプトの太陽電池の開発に注目が集まっている。

 開発のコンセプトにも,これまでと違った方向が見られる。光発電と言えば,評価の定番は効率と耐久性(寿命)であったが,エネルギーペイバックタイムや材料供給の問題に対面するなかで,コストと環境付加にかかわる対策が前面に上がってきた。もともと宇宙開発軍事用として高性能品を求めてきた太陽電池が,産業界から民間に下りて,庶民の使う普及品として市場を広げ,環境にいち早く貢献するには,低コスト化が必須である。低コストであることは低環境負荷の証でもある。もう1つ,新たな産業分野として生まれつつあるのが,従来の設置型電源としての使い方と異なり,消費者エレクトロニクス機器の補助電源としての光発電素子の利用である。これはパソコンや携帯電話などIT機器文化が急速に進化したことによる。これらの補助電源は,大量消費に歯止めのかからない乾電池や二次電池の一部置き換えを狙うものであり,電池の使用寿命を延ばし,エネルギー消費を削減することにつながる。この目的の商品は,発電の対象となる光そのものが,太陽光には限られない。この意味で,Solar cellというより,Photovoltaic cellという名がふさわしいだろう。また,窓から差し込む光や照明光も有効に利用するには,微弱な光も高い効率で変換する素子,そして,変動する光量と出力にすばやく追従して蓄電するシステムも必要となるだろう。

 本書は,以上の考えに立って,近い将来に光発電の多様な産業を背負って立つと期待できる光発電とその周辺の技術,そして潜在する産業用途のヒントとなるテーマを集めて,各方面の専門家にご執筆いただいた。新コンセプトの発電素子が実用化するためには,コスト面では,使用材料量を限りなく削減する技術,そして,製造を省力化・高速化する工程として,印刷や塗布による製造技術(プリンタブル技術)の実現が期待される。また,用途拡大に向けては,素子を軽量・フレキシブルにするなどの機能性向上の技術や素子の形状に意匠性を持たせる工夫も求められる。本書が,光発電の研究開発と将来展望に新たな一考を投じるハンドブックとして役立てられれば幸いである。


(本書「新型太陽電池の設計に向けて」より)

2009年5月

桐蔭横浜大学 大学院工学研究科  宮坂 力


書籍の内容

第1章 太陽電池用発電材料の産業的視点(前田佳宏,加福秀亙)

1. 急拡大を続ける世界の太陽電池市場

  1.1 世界のエネルギー需要と太陽電池ポテンシャル

  1.2 固定価格買取制度(FIT)による太陽電池市場の拡大

  1.3 世界の太陽電池市場を牽引するドイツ市場の今後

  1.4 太陽電池市場として注目されるその他の地域

2. 太陽電池プレーヤと業界構造の変化

  2.1 セルメーカシェアの変化

  2.2 売り手市場から買い手市場へ

  2.3 セルメーカの垂直統合戦略とターンキーメーカの躍進

第2章 無機系太陽電池開発の最新動向

1. 多結晶系太陽電池の高効率化と製造プロセス(有本智)

  1.1 はじめに

  1.2 多結晶シリコン太陽電池の製造方法

  1.3 多結晶シリコン太陽電池の特徴

    1.3.1 水素パッシベーション効果

    1.3.2 多結晶シリコンの品質ばらつき

  1.4 多結晶シリコン太陽電池の高効率化技術

    1.4.1 電極形成技術

    1.4.2 低反射化技術

    1.4.3 太陽電池特性

  1.5 おわりに

2. ハイブリッド型HIT太陽電池(井上広匡)

  2.1 HIT太陽電池の構造と特徴

    2.1.1 高い変換効率

    2.1.2 ウエハ薄型化への対応柔軟性

    2.1.3 高温環境下での出力安定性

    2.1.4 両面発電構造

  2.2 HIT太陽電池の高性能化技術

    2.2.1 テクスチャ制御による光閉じ込め

    2.2.2 高品質TCO

    2.2.3 高アスペクト比集電極

  2.3 Si基板の薄型化

  2.4 HIT太陽電池の市場への展開

3. CIGS太陽電池の最新動向―製膜技術を中心として―(中田時夫)

  3.1 はじめに

  3.2 CIGS太陽電池の構造と現状効率

    3.2.1 小面積セル

    3.2.2 大面積モジュール

    3.2.3 省資源化

    3.2.4 フレキシブル太陽電池

  3.3 CIGS製膜法

    3.3.1 3段階法

    3.3.2 セレン化/硫化法

    3.3.3 ナノ粒子印刷法(非真空プロセス

  3.4 各国企業の動向

    3.4.1 概要

    3.4.2 各国企業の技術動向

  3.5 おわりに

第3章 色素増感太陽電池,有機太陽電池

1. 色素増感太陽電池の高効率化開発(小出直城)

2. 色素増感太陽電池の高効率化開発(伊藤省吾)

  2.1 はじめに

  2.2 作製プロセス

    2.2.1 色素および電解液

    2.2.2 TiO2電極

    2.2.3 Pt対極

    2.2.4 セル組み上げ

  2.3 TiO2電極の膜厚依存性―Ru色素と有機色素―

  2.4 フレキシブルDSC

  2.5 P25を使用した高効率DSC

  2.6 おわりに

3. 酸化亜鉛の電気化学析出を用いたプラスチック太陽電池の研究開発(吉田司

  3.1 はじめに

  3.2 酸化亜鉛/エオシンYハイブリッド薄膜の自己組織化電析

  3.3 酸化亜鉛太陽電池の高性能化

  3.4 カラフルプラスチック太陽電池による新しい応用分野開拓

  3.5 おわりに

4. プリンタブル,プラスチック色素増感太陽電池(宮坂力,手島健次郎,池上和志)

  4.1 印刷法で製造できる色素増感太陽電池

  4.2 プラスチック色素増感太陽電池

  4.3 太陽電池用の透明導電基板

  4.4 集積型モジュールの製作 

  4.5 耐久性

  4.6 おわりに

5. 塗布変換型太陽電池(荒牧晋司,佐藤佳晴)

  5.1 はじめに

    5.1.1 薄膜太陽電池

    5.1.2 有機半導体

    5.1.3 有機太陽電池の概要

  5.2 前駆体型材料の概要

    5.2.1 塗布可能な有機半導体

    5.2.2 ポルフィリン系前駆体半導体

  5.3 太陽電池への応用

    5.3.1 BP材料を用いた太陽電池

    5.3.2 アクセプター(n型半導体)材料

    5.3.3 ヘテロ接合型太陽電池

    5.3.4 バルクヘテロ接合型太陽電池

  5.4 今後の展開

6. 有機太陽電池の高効率化と耐久性評価(平本昌宏)

  6.1 はじめに

  6.2 p-i-n接合型有機薄膜太陽電池

  6.3 ナノ構造制御

  6.4 有機半導体の超高純度化による変換効率向上

  6.5 長期動作テストと大面積セル

  6.6 今後の展望

7. フィルム有機太陽電池の製造技術(鈴木裕行,佐々木美帆,藤原亮,大川晃次郎,井上功)

  7.1 緒言

  7.2 有機薄膜太陽電池の特徴

  7.3 有機薄膜太陽電池の開発経緯

  7.4 有機薄膜太陽電池の展望

  7.5 色素増感太陽電池の特徴

  7.6 色素増感太陽電池のフィルム化に伴う課題点

  7.7 転写法によるアプローチ

  7.8 測定方法

  7.9 転写法による色素増感太陽電池作製の概要

  7.10 転写プロセスの開発

    7.10.1 TiO2層の剥離

    7.10.2 ITO層の成膜

    7.10.3 フィルム基板との接着

  7.11 色素増感太陽電池の性能

  7.12 色素増感太陽電池の耐久性評価

  7.13 色素増感太陽電池の展望

8. 量子ドット増感太陽電池豊田太郎)

  8.1 はじめに

  8.2 CdS量子ドットによる増感機能

  8.3 CdSe量子ドットによる増感機能

  8.4 PbS量子ドットによる増感機能

9. プリンタブル太陽電池の開発動向(池上和志)

  9.1 はじめに

  9.2 各社の開発動向

    9.2.1 Konarka Technologies

    9.2.2 G24 innovations

    9.2.3 Plextronics

    9.2.4 Dyesol

    9.2.5 ペクセル・テクノロジーズ社

  9.3 おわりに

10. 光蓄電素子“色素増感キャパシタ”(宮坂力,手島健次郎)

  10.1 光による蓄電

  10.2 色素増感半導体電極による光発電

  10.3 光キャパシタの充放電の原理

  10.4 光キャパシタの高容量化

  10.5 展望

第4章 太陽電池の性能・耐久性評価

1. 太陽光スペクトル太陽電池評価(大谷謙仁)

  1.1 太陽光スペクトル

  1.2 太陽電池性能評価

  1.3 基準太陽光スペクトル

    1.3.1 制定の経緯

    1.3.2 改訂とその影響

    1.3.3 実環境での太陽光スペクトルとの比較

2. 太陽電池評価用光源と出力特性評価方法(猪狩真一)

  2.1 はじめに

  2.2 基準太陽光とソーラシミュレータの国際規格の改正

  2.3 基準太陽電池

  2.4 擬似基準太陽電池

  2.5 ソーラシミュレータ

  2.6 色素増感太陽電池セル出力測定方法について

3. 色素増感太陽電池の耐久性評価(荒川裕則)

  3.1 はじめに

  3.2 海外の動向

  3.3 国内の動向

  3.4 おわりに

4. Durability Assessment of Dye Solar Cells and Modules(Johann Desilvestro)

  4.1 Introduction

  4.2 Path to20-Year+ DSC Service Life

    4.2.1 Molecular level

    4.2.2 Cell level

    4.2.3 Module level

    4.2.4 System level

  4.3 Conclusions

5. 有機薄膜太陽電池の最近の進歩とその耐久性について(上原赫)

  5.1 はじめに

  5.2 有機薄膜太陽電池の効率向上

  5.3 有機薄膜太陽電池の耐久性

  5.4 おわりに

6. 色素増感太陽電池の屋外出力特性評価(宇佐美章)

  6.1 屋外実使用状態で太陽電池出力に影響を与える要因

  6.2 太陽電池出力に影響する屋外変動要因に対する色素増感太陽電池特性

  6.3 色素増感太陽電池屋外評価例

  6.4 おわりに

7. 各種光源の分光輻射スペクトル(池上和志)

  7.1 はじめに

  7.2 太陽電池評価と光源

  7.3 代表的な光源の分光放射スペクトル

  7.4 おわりに

第5章 電池作製に使えるパターン印刷技術

1. スクリーン印刷の原理と最新技術(佐野康)

  1.1 はじめに

  1.2 スクリーン印刷の4つのメカニズム

  1.3 スクリーン印刷の3つの要素の適正化手順

    1.3.1 印刷条件の適正化

    1.3.2 スクリーン版の仕様と品質の適正化

    1.3.3 ペーストの適正化

  1.4 スクリーン印刷の最新技術

    1.4.1 ファインライン印刷

    1.4.2 印刷厚みの制御

    1.4.3 積層印刷

    1.4.4 寸法精度の向上

  1.5 おわりに

2. 色素増感太陽電池用二酸化チタンペーストと印刷(瓦家正英)

  2.1 はじめに

  2.2 ペースト作製の基本

    2.2.1 二酸化チタン粒子

    2.2.2 ナノ粒子分散ペースト作製手法

    2.2.3 ペースト粘弾性特性

  2.3 ペースト塗布・印刷手法

    2.3.1 スクリーン印刷

    2.3.2 インクジェット法

    2.3.3 スプレー法

  2.4 色素増感太陽電池モジュール

3. チタニア電パターン形成とインライン分散技術(北迫繁徳)

  3.1 はじめに

  3.2 コーティング剤(電極材料)のサーキュレーション

    3.2.1 クローズドサーキュレーションシステム

    3.2.2 デュアルシリンジ式分散装置

  3.3 塗布手段

    3.3.1 スプレイ方式

    3.3.2 スロットノズルコーティング

  3.4 プロダクションシステム

  3.5 おわりに

4. シートナノインプリントによる微細構造の形成(宮内昭浩,長谷川満,荻野雅彦)

  4.1 はじめに

  4.2 シートナノインプリントの原理

  4.3 装置と転写例

  4.4 太陽電池基材への応用

  4.5 おわりに

第6章 太陽電池グッズの動向

1. 太陽電池腕時計(三好幸三)

  1.1 はじめに

  1.2 太陽電池腕時計の仕組み

  1.3 腕時計用太陽電池の種類

  1.4 時計用太陽電池二次電池

  1.5 時計の使われ方と太陽電池

  1.6 時計用太陽電池と光劣化

  1.7 スペクトルと時計用太陽電池

  1.8 おわりに

2. 太陽電池式携帯チャージャー(須藤誠)

  2.1 モバイル太陽電池バイオレッタ ソーラーギア VS01」

    2.1.1 製品概要

    2.1.2 主な機能

    2.1.3 主な特長

    2.1.4 主な仕様

    2.1.5 開発の背景および経緯

    2.1.6 製品コンセプト具現化のための設計ポイント

  2.2 周辺機器1:充電式ニッケル水素電池バイオレッタ

    2.2.1 主な特長

    2.2.2 主な仕様 

  2.3 周辺機器2:「USBパワーアダプター」

    2.3.1 主な機能 

    2.3.2 主な特長

    2.3.3 主な仕様 

  2.4 周辺機器3:「DCパワーケーブル」

    2.4.1 主な機能

    2.4.2 主な仕様

3. 発電するデザインの可能性

  3.1 エコライターが描くソーラーグッズの未来(阿久津美穂)

  3.2 空気デザイナーが描くサステナブルライフ(かわじみき)

    3.2.1 はじめに

    3.2.2 デザイナーの社会的役割

    3.2.3 デザイナー達が注目しはじめた太陽エネルギー

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