ペロブスカイト太陽電池は、ペロブスカイト結晶と呼ばれる光吸収材料を用いることで、高い光吸収係数・低温プロセス製造・軽量柔軟性といった特徴を同時に実現できる点が大きな魅力である。研究段階ではすでに変換効率が26%台に達しており、単結晶シリコンに匹敵するレベルに迫っている。また、印刷法やロールツーロール技術の適用が可能であるため、従来の太陽電池では難しかった低コスト生産や大面積フレキシブル基板への展開が期待されている。
さらに、既存のシリコン太陽電池と積層して高効率化を図る「タンデム型」、建材そのものとして発電する「建材一体型太陽光発電」、あるいはモビリティやウェアラブル機器向けなど、活用範囲が大きく広がっている点も重要である。つまりペロブスカイト太陽電池は、単なる「高効率セル」ではなく、社会インフラや製品設計に新たな自由度をもたらす革新的エネルギー技術として位置づけられる。
こうした中で、量産化・信頼性確保・環境対応といった課題を解決する鍵を握るのが、各層に用いられる新材料の開発である。光吸収層、電子輸送層、孔輸送層、電極材料、封止材料など、あらゆる材料が性能・耐久性・プロセス適性を左右するため、材料技術の進歩が産業化の成否を大きく左右している。
ペロブスカイト太陽電池が社会実装を目前にする中で、量産性や信頼性を確保したモジュール構造や工法についても研究開発が進んでいる。本稿では、当社が開発しているフィルム型ペロブスカイト太陽電池の外部取出し電極として開発に取り組んでいる低温熱圧着型の導電性材料を紹介する。
すでに各社によって開発が進められているフィルム型ペロブスカイト太陽電池には、支持体および透明電極としてPETやPENなどの樹脂フィルムにITOを成膜した透明導電膜が使用される。ペロブスカイト太陽電池は、透明導電膜上に電子輸送層、ペロブスカイト層、正孔輸送層、電極の順に形成され（図1）、入光して発電した電流は透明導電膜表面を介して外部に取り出すことができる 1）。従来のシリコン型では、電流の外部取出しはバスバーにタブ線をはんだ付けして接続していたが、フィルム型ペロブスカイト太陽電池では、高温のはんだ付けへの耐熱性がないため、外部取出し電極を低温で接続できる方法で形成する必要がある。
図1 ペロブスカイト太陽電池の一般的な層構造
ここからは、フィルム型ペロブスカイト太陽電池に適用できる外部取出し電極の接続および形成方法について、代表的な導電接着材料である導電性テープ、異方性導電フィルム（ACF）、および導電性接着剤の接着メカニズムや導電性および加工のしやすさについてメリットとデメリットを考察する。
導電性テープは電子顕微鏡観察において試料の固定に使用されるなど汎用性のある部材である。銅やアルミなどの導電性の金属箔基材に粘着剤が付与されており、貼り付けるだけで導電性を得ることができる。導電性テープの一般的な断面構造を図2に示す。
図2 導電性テープの一般的な断面構造
導電性テープの金属箔基材はそのまま外部取出し電極として使用できるため、常温下で容易に取出し電極が形成できる工法である。また、薄い金属箔基材と弾性率の低い粘着剤を用いるため柔軟性があり、PETなどの支持体フィルムの曲げにも十分に追従することができる。一方で粘着剤は絶縁材料であるため、導電性を補助する役割としてカーボンなどの導電粒子を混合することがあるが、十分な導電性が得られない場合がある（図3）。また、テープの押え圧力によっても導電性にばらつきが発生するなど、安定して抵抗値を低く保つには課題がある。
図3 市販導電性テープの抵抗値測定結果
次に、ACFは熱硬化性エポキシ樹脂に導電粒子を分散させ、フィルム状に加工されたものであり、ディスプレイと基板の電極間の導電接続の用途としてすでに市場での実績は多い。短時間の加熱圧着で接続できるため生産性は高いが、上下の圧着方向にのみ導通し水平方向は絶縁の異方性導電接続となる。ACFを使用した際の断面構造を図4に示した。フィルム型ペロブスカイト太陽電池ではACFを使用して透明導電膜にタブ線などの電極材料を加熱圧着で接続し、外部取出し電極を形成することができる。
図4 ACFを使用した断面構造と導電メカニズム
一方で、ペロブスカイト太陽電池では発電した電流を効率的に伝えるために、透明導電膜表面全体から外部取出し電極まで低抵抗の導通が得られることが望ましいが、図4で示すように、異方性導電接続のACFでは導電粒子の数が少ないため導電経路が少なくなり、透明導電膜表面と外部取出し電極間の抵抗値が高くなることが懸念される。また、一般的なACFの加熱温度は150℃程度であり、短時間であってもPETなどの支持体フィルムにダメージを与えるおそれがある。
最後に、導電性接着剤について考察する。導電性接着剤は、エポキシ樹脂やアクリル樹脂をベースとした接着剤に導電粒子を混合したものであり、加熱硬化時の収縮により導電粒子同士が接触し、導電経路を形成することで通電する 2）。一般的な導電性接着剤の導電粒子の体積含有率と電気抵抗の関係を図5に示した。導電粒子同士が接触する含有率のしきい値を超えると急激に抵抗値が低下するため、しきい値以上の導電粒子を配合する必要がある。
図5 導電性接着剤中の導電粒子の体積率と電気抵抗の関係概略図
導電性接着剤は、加圧が不要で等方性の導電接続ができるため透明導電膜にタブ線などの取出し電極材料を低抵抗で導電接続し、外部電極を形成することが可能である。しかし、塗布時は液状であり、加熱硬化させる間は取出し電極材料を貼り付けた状態で保持せねばならず、工程が複雑となる。フィルム型ペロブスカイト太陽電池で検討が進むロールツーロール工法に適用する場合にも課題が多いと考えられる。また枚葉工法であっても、モジュール全体を加熱炉に投入する必要があるため、ペロブスカイト層に対する熱影響も懸念される。
各工法の比較を表1にまとめた。
表1 フィルム型ペロブスカイト太陽電池モジュールに適用できる導電接続工法の比較
| 導電性テープ | 異方性導電フィルム （ACF） | 導電性接着剤 （熱硬化タイプ） | はんだ付け | |
|---|---|---|---|---|
| 熱変形 | ◎ | × | △～○ | × |
| 柔軟性 | ◎ | ○ | × | × |
| 導電性 | × | △ | ◎ | ◎ |
| 薄さ | ○ | △ | ○ | × |
| 工程数 | ◎ | △～〇 | × | △ |
| 特長 | 作業性は良好だが 導電性が安定しない | 導電性が課題 加熱温度が高い | 導電性は良いが 加熱が必要で 作業性が悪い | 導電性は良好だが 高温であり フィルムに使用できない |
先述の通り、従来の技術ではフィルム型ペロブスカイト太陽電池の外部取出し電極の形成方法に対していずれも課題があり、最適な材料および工法が求められている。当社では独自に開発した特殊形状の銀粉「TK銀粉」を用いた特徴のある導電性接着剤「TKペースト」を上市しているが、この技術を用いて、低温で導電接着できる「低温熱圧着電極 TKSシート」（以下、TKSシート）を開発したので紹介する。
一般的に知られている銀粉は球状（粒状）銀粉と球状銀粉を物理的に破砕した薄片状銀粉であるが、TK銀粉は、図6に示すように、放射状に延びるデンドライトの集合形状をはじめ、非常に多様な構造をもつ銀粉である。当社は独自のTK銀粉製造技術を用いて、このような構造を任意に作り出せるだけでなく、均等な大きさで大量に生成することができる。
図6 多様な構造をもつTK銀粉
近年の研究では、TK銀粉のような複雑な形状をもつ導電粒子は、低含有量であっても導電性接着剤の内部で導電経路を形成しやすいことが明らかにされており 3）、当社ではこのTK銀粉を活用し、低銀含有量で導通ができる従来にない機能を持つ導電性接着剤を開発している（図7） 4）。
図7 銀粉形状の違いによる銀含有率と比抵抗値の関係
TKSシートは、柔軟な熱可塑性樹脂にTK銀粉を配合した導電ペーストを、銅などの金属箔に塗布・乾燥させて塗膜を形成したものであり、100~110℃程度の加熱圧着によってPETフィルムなどの被着体と容易に接着ができる（図8）。TKSシートには図9に示すアスペクト比が大きい大型フレーク銀状のTK銀粉を使用している。この大型フレーク状銀粉は粒子径が15~20μm、厚みが0.1um以下の銀粉で、表面に微細な凹凸を有している。
図9 大型フレーク状TK銀粉
この大型フレーク状銀粉を配合したTKSシートの塗膜表面を電子顕微鏡（SEM）で観察した写真を図10（a）に、また加熱圧着後の断面観察写真を図10（b）に示した。大型フレーク状銀粉は図10（a）に示すように、塗膜表面に微細な凹凸がよく露出し、被着体に対して多くの接点を有するため、接着面の抵抗値を下げることができる。加えて、図10（b）の加熱圧着後の断面観察結果より、大型フレーク状銀粉が接着層内部で配向して多層に積み重なっていることが分かる。これによって銀粉同士の接触を確保し、被着体の表面から外部取出し電極へ等方性の良好な電気的接続を得ることができる。
図10 TKSシートの表面および加熱圧着後断面観察結果
さらに、銀粉のアスペクト比が大きく、積み重なって配向しているので、TKSシートの接着層は図11に示すように接着層を曲げたり伸ばしたりするような水平方向への伸びに対しても銀粉同士の接点に影響を及ぼしにくく、柔軟なフィルムに接着しても導電性の変化が少ない。
図11 水平方向への伸びの影響
このTKSシートを用いたフィルム型ペロブスカイト太陽電池の外部取出し電極の形成事例を紹介する。図12はITO-PETフィルムに長さ300mm幅10mmのTKSシートで取出し電極配線の形成を想定した事例である。図12のITO-PETフィルムにはペロブスカイト太陽電池は形成されていないが、大型のペロブスカイト太陽電池モジュールにおいて、端部電極の導通を補助する目的でバスバーを端部全面に取り付けるケースを想定し製作した。TKSシートに使用した金属箔は銅C1020-H、厚み0.05mmで、塗膜面をITO-PETフィルムに、110℃・2MPa・2分間で加熱圧着した。加熱圧着後にITO-PETフィルムに変形は見られず、曲げても割れや剥離は起こらない（図13）。このようにTKSシートは透明導電膜表面に直接加熱圧着するだけで、柔軟な外部取出し電極を形成することができる。当 社ではTKSシートの金属箔を取出し電極として、はんだ付けやコネクタで配線を接続することで大型のフィルム型ペロブスカイト太陽電池から電流を取り出すことができる方法として提案しており、複数のペロブスカイト太陽電池メーカーでの評価が進んでいる。
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TKSシートを用いてフィルム型ペロブスカイト太陽電池の外部取出し電極を形成する工法を確立するにあたって、導電ペーストやシートの開発だけでなく、適切な圧力と温度が加えられる加熱圧着方法も同時に開発を進めている。また、低コスト化が期待されるロールツーロール工法に対しても、長尺の金属箔に導電ペーストを塗布したリール形状の加熱圧着電極の供給を検討している。
現在、当社の研究所ではペロブスカイト太陽電池の形状や大きさに応じたTKSシートの作製と、開発した熱圧着装置（図14）を使用して実際のモジュールに取り付ける体制を備えており、ペロブスカイト太陽電池やその応用品の開発案件に対応している。今後は設備メーカーの協力を得て、量産や大型化に対応できる装置の開発を目指している。
図14 開発した熱圧着装置
2030年までに再生可能エネルギー（再エネ）の発電容量を世界全体で3倍にするという「第28回気候変動枠組条約締約国会議（COP28）」の目標に対して、日本は再エネ電源構成比を36~38%を目標値としており 5）、その中でも太陽光発電は最も高い14～16%程度の比率を担う技術として期待されている。
日本は優れた機能性フィルムを持つ企業が多く、フィルム型ペロブスカイト太陽電池の開発が先行していると言われている 6）。さらに平地面積当たりの太陽光発電導入量が主要国において最大級で、限られた国土で国内にこれ以上の設置場所を確保することが難しい日本においては、従来は設置できなかった建物の壁面や耐荷重性の低い屋根などに設置できる太陽光発電パネルとして、シリコン型に比べて重量が1/10程度のフィルム型ペロブスカイト太陽電池が有望視されている。
ペロブスカイト層の材質や塗工方法の研究が進展し実用化が目前となる中、太陽電池セルをモジュールに組み立てる後工程の開発が加速している。当社の低温熱圧着電極も太陽電池の性能向上の一端を担う材料として、クリーンエネルギーの創出につながる開発を引き続き進めていく所存である。
『ペロブスカイト太陽電池の耐久性・安定性・発電効率向上を実現する層材料と成膜プロセス・デバイス設計』 株式会社AndTech 2026年7月31日発刊
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