インクジェット太陽電池

インクジェット太陽電池は、インクジェットプリンターを使用して半導体材料と電極を太陽電池基板上に配置することで低コストのハイテク方法で製造される太陽電池です。

このアプローチは、ニューサウスウェールズ大学[ 1 ] [ 2 ] 、オレゴン州立大学[ 3 ]、マサチューセッツ工科大学[ 4 ]、Saule Technologies [ 5 ]など、さまざまな場所で独自に開発されています。インクジェット印刷された太陽電池は、以前は効率が比較的低いため大きな焦点ではありませんでしたが、ペロブスカイト太陽電池の登場により、溶液処理可能な性質のために、インクジェット印刷された太陽電池の開発に新たな関心が寄せられています。[ 6 ]ペロブスカイト太陽電池は現在、最大25.2％の効率に達しており、[ 7 ]完全にインクジェット印刷されたペロブスカイト太陽電池は、17％を超える安定した電力変換効率（SPCE）を実現できることが示されています。[ 8 ]

歴史

プリンテッドエレクトロニクスの最初の事例は、1903年にアルバート・ハンソンが「プリント」ワイヤの特許を申請したことです。その後、ラジオがプリンテッドエレクトロニクス産業を牽引しました。最近まで、インクジェットプリンターはプリンテッドエレクトロニクス産業では使用されていませんでした。しかし、業界は低コストと柔軟性からインクジェット印刷への移行を決定しました。[ 9 ]使用されている技術の一つに、インクジェット太陽電池があります。インクジェットプリンターを用いて太陽電池を初めて製造したのは、2008年のKonarka社でした。[ 10 ] 2011年、オレゴン州立大学はインクジェットプリンターを用いてCIGS太陽電池を製造する方法を発見しました。同年、MITはインクジェットプリンターを用いて紙上に太陽電池を製造することに成功しました。インクジェットプリンターを用いた太陽電池の製造は非常に新しい技術であり、現在も研究が進められています。[ 11 ] 2014年、オルガ・マリンキエヴィッチはボストン（米国）で開催されたMRS秋季会議でペロブスカイトシートのインクジェット印刷製造プロセスを発表し、 MITテクノロジーレビューの35歳未満のイノベーター賞を受賞した。[ 12 ]

作り方

一般にインクジェット太陽電池は、インクジェットプリンターを使用して半導体材料と電極を太陽電池基板上に印刷することによって製造されます。[ 13 ]有機太陽電池と無機太陽電池の両方がインクジェット法を使用して製造できます。インクジェット印刷された無機太陽電池は、以前はCIGS太陽電池でした。有機太陽電池はポリマー太陽電池です。ハイブリッドペロブスカイト太陽電池のインクジェット印刷も可能であり、現在は主要な焦点となっています。インクジェット印刷は、シリコンベースの太陽電池に他のセルコンポーネントを追加する方法としても検討されています[ 14 ]。インクの最も重要な成分は機能性材料です。金属塩混合物 (CIGS)、ポリマーフラーレンブレンド (ポリマー太陽電池)、または混合有機および無機塩の前駆体 (ペロブスカイト太陽電池) です。これらの成分は適切な溶媒に溶解されます。印刷性や基板上での濡れ性を向上させるために、インクの粘度と表面張力に影響を与える追加成分が加えられることがあります。インクはカートリッジに収められており、そこからさまざまな基板に転写されます。印刷は通常、プリントヘッドのノズルに内蔵された圧電駆動装置によって行われ、この駆動装置は、予め設定された圧力パターンを適用して液滴を吐出するようにプログラムされています。多くの場合、機能性材料を複数層重ね合わせることで、動作する太陽電池が作製されます。印刷プロセス全体は室温で行うことができますが、多くの場合、追加の熱処理が必要となります。インクジェット印刷による有機太陽電池の効率を左右する重要な要素は、インクジェットの待ち時間、インクジェット印刷テーブルの温度、そしてポリマードナーの化学的性質の影響です。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

利点

インクジェットプリンターで太陽電池を印刷する主な利点は、生産コストの低さです。他の方法よりも安価な理由は、真空にする必要がないため、装置が安価になるからです。また、インクは安価な金属塩混合物であるため、太陽電池のコストも削減されます。インクジェットプリンターで半導体材料を塗布する場合、気相堆積法などの他の方法と比較して、材料の無駄が非常に少なくなります。これは、プリンターが無駄をほとんど残さずに精密なパターンを形成できるためです。

問題

インクジェット印刷太陽電池の主な問題は、実際にはセル自体ではなく、印刷用インクや乾燥プロセスといった製造プロセスの最適化にあります。これには、「粘度、揮発性、表面張力」[ 18 ]といった複数の変数の制御と最適化が必要であり、これらは溶媒や溶質の変更によって調整できます。さらに、使用される溶媒と太陽電池に使用されている半導体材料の両方の毒性に関する懸念もあります。

シリコン太陽電池向けインクジェット印刷

インクジェット印刷は、シリコン太陽電池の電極層の堆積技術として研究されています。[ 14 ]シリコン太陽電池は、電流の流れを助け、セルの効率を最大化するために、前面の導電性接点（通常はAg）が必要です。これは、セル表面の一部を遮光することと電流の流れを改善することの間で妥協点となります。この銀導電性グリッドの堆積にインクジェット印刷を使用すると、これまでのところ他の堆積技術よりもセル効率が低くなりますが、リソグラフィーやエッチングなどの複雑で無駄の多い製造技術を必要とせずに、あらゆるパターンの非常に正確なグリッドを作成できるため、利点があります。

太陽電池における光損失を低減（光吸収を増加）するために使用できるもう一つの主要な技術は、表面テクスチャの形成です。これは反射損失を低減するためです。効率を劇的に向上させることができますが、このテクスチャ化はフォトリソグラフィーなどのより複雑でコストのかかる製造技術が必要となるため、通常は使用されません。しかし、インクジェット印刷は、パターン化されたマスクを表面に印刷し、それを（おそらく溶液を用いて）エッチングできるため、このプロセスをより容易にし、よりアクセスしやすくする可能性があります。

銅インジウムガリウムセレン太陽電池（CIGS）向けインクジェット印刷

インクジェット印刷技術は、薄膜CIGS太陽電池の製造に研究されており、[ 14 ]材料堆積時の廃棄物が極めて少ないことから特に興味深い。これらのセルのCIGS層を堆積するためには、比較的廃棄物の少ないスパッタリング技術がよく使用されるが、インクジェット印刷では、コーティングされる表面の必要な場所にのみ材料を堆積できるため、廃棄物がさらに少なくなる。CIGSセルの製造プロセスで廃棄物を削減することは重要である。なぜなら、光吸収層の成分（銅、インジウム、ガリウム、セレン化物）のコストは、主にIn、Ga、Seの希少性により、他のタイプの太陽電池に比べてかなり高いからである。 CIGS太陽電池パネルの魅力は、薄膜太陽電池として機能するため、必要な材料がはるかに少なく、従来の結晶シリコン太陽電池パネル（26.7% [ 20 ] ）と同等の効率（23.6% [ 19 ] ）を有することです。ただし、CIGS太陽電池は実際にはSi太陽電池よりも高い効率で動作する傾向があります。インクジェット印刷法は、他の方法のように太陽電池を準備するために有毒な化学物質を使用する必要がないため、より環境に優しい選択肢を提供することができます。[ 11 ] [ 17 ]インクジェット印刷は、CIGSセルの前面コンタクト層の堆積にも利用することが検討されています。[ 14 ]

ペロブスカイト太陽電池向けインクジェット印刷

あらゆる種類の太陽電池に使用されるペロブスカイトの組成は、大きな焦点となっています。ペロブスカイト太陽電池の現在の研究における主要な焦点は、ペロブスカイトに使用される材料と堆積に使用される溶媒の毒性に関する懸念に基づき、いかにして太陽電池をより安全にするかという点です。より安全な材料の製造へのこの焦点は、より広範なペロブスカイト太陽電池研究においても重要な焦点となっています。ペロブスカイトインクジェット印刷の製造管理においては、ペロブスカイトの組成や粒子サイズといった要素を制御することも重要です。

潜在的

インクジェット印刷太陽電池は、一般的な太陽電池材料に比べて効率が低いにもかかわらず、製造が容易なため、驚異的な可能性を秘めています。常温で印刷でき、比較的低いアニール温度で処理できます。[ 21 ] [ 8 ]「インク工学」を改良することで、[ 18 ]これらの太陽電池は、太陽電池技術の進歩に向けた優れた道筋を示す可能性があります。

従来の太陽電池では、光起電力材料を保持する材料のコストが、材料自体のコストよりも高くなるのが一般的です。インクジェット印刷では、紙に太陽電池を印刷することが可能です。これにより、太陽電池のコストが大幅に削減され、ほぼあらゆる場所に設置できるようになります。紙のように薄い太陽電池、あるいは将来的には直接3D印刷によって、ブラインド、窓、カーテンなど、家中のほぼあらゆる場所に太陽電池を設置できるようになります。これは非常に有望な技術であり、太陽光発電の未来を担う可能性があります。[ 22 ]

参照

-ペロブスカイト太陽電池 - CIGS太陽電池 -有機太陽電池

参考文献

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