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-光电转换效率达到18.6 %，加速太阳能发电的普及- 重点 轻量性和曲面追随性优异的集成型CIS系太阳能电池小型模块的性能提高 利用改良的碱金属添加控制技术，可以在各种各样的基板上形成CIS系太阳能电池 期待通过高光电转换效率扩大太阳能发电的普及和由此带来的CO2排放量的削减 概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所【理事长石村和彦】(以下称为“产综研”)节能研究部门【研究部门长堀田照久】化合物薄膜材料小组石冢尚吾研究小组组长、上川由纪子主任研究员， 与丰田汽车株式会社未来创生中心【未来创生中心长古贺伸彦】(以下称为“丰田”) R-前沿部第6基础研究组增田泰造集团长共同，轻量、柔性的CIS系太阳能电池微型模块达到世界最高的光电转换效率18.6 % ( 18.6 % ) 通过改进碱金属添加控制技术改善CIS基光吸收层的特性等，成功提高了光电转换效率。 轻量性和长期可靠性优异，曲面追随性也高，也可以设置在以往的太阳能发电系统难以导入的地方。 由于应用范围扩大，可以期待新的市场创造，期待太阳能发电的进一步普及和由此带来的CO2排放量的大幅削减。 本成果将在2021年9月6~9日召开的国际会议2021年国际会议·固态设备与材料( ssdm 2021 )上发表。
轻量柔性CIS系太阳能电池微型模块与以往玻璃基板品的比较 开发的社会背景 在为实现2050年碳中和而削减二氧化碳( CO2 )排放量的目标中，可再生能源的普及受到了很大的期待。 关于可再生能源之一的太阳能发电，除了主流的结晶硅类太阳能电池外，各种类型的太阳能电池从尖端研究开发的舞台逐渐登场到身边的生活环境。 特别是CIS系太阳能电池，众所周知其光电转换效率高、长期可靠性也优异等特点。 以往的CIS类太阳能电池由于使用的是重量较大的玻璃基板，因此没有充分发挥作为薄膜型太阳能电池的特色。 因此，利用其特长，使用轻量且可跟踪曲面的基板的高性能CIS类太阳能电池模块的开发，作为太阳能发电广泛普及的关键备受期待。 今后的太阳能发电中，需要减少布局制约克服型的新的太阳能电池以及进一步的成本。 研究的经过 产业综合研究所为了扩大太阳能发电的普及，正在致力于各种各样的太阳能电池材料和器件的研究开发。 目前，在CIS类太阳能电池的研究开发中，除了开发使以往的玻璃基板上的太阳能电池更高效的技术和应用于多接合型太阳能电池的技术以外，为了扩大用途，以使用薄膜基板等的轻量、柔性太阳能电池的高性能化为目标，迄今为止通过与企业和大学的合作进行了研究开发 另外，丰田从2005年左右开始致力于太阳能发电系统的车辆应用研究。 由于车辆的重量与燃料消耗率和电力消耗率直接相关，因此需要轻量的太阳能电池模块。 耐用、可跟踪曲面的太阳能电池进一步扩大了搭载车辆的可能性。 与以往的玻璃基板相比，很难在薄膜基板上形成高性能的CIS类太阳能电池。 这是因为薄膜基板上和玻璃基板上的太阳能电池形成工艺不同。 在CIS系太阳能电池中，从玻璃基板向光吸收层扩散添加的碱金属是高性能化所必需的，但在不含碱金属的薄膜基板中无法期待该扩散添加，因此需要与玻璃基板上不同的碱金属添加控制技术等，需要克服的课题较大。 这次，我们改进了制作CIS类太阳能电池所需的碱金属添加控制技术，提高了作为光吸收层的多晶CIS类薄膜及其表面界面的质量，致力于提高太阳能电池器件的性能。 CIS系太阳能电池模块在国内外已经达到了19 %以上的转换效率，另外，最近在全世界研究开发活跃的有机-无机混合钙钛矿太阳能电池模块也报告了18 %左右的效率。 但是，这些转换效率是基于玻璃基板的性能，不是使用薄膜基板等的轻量柔性太阳能电池的性能。 作为迄今为止轻量、灵活的CIS类太阳能电池微型模块的世界最高效率，欧洲的研究机构报告了16.9 %。 如果能进一步提高性能，除了搭载车辆外，还可以在工厂屋顶等有耐负荷限制的场所和曲面等以往太阳能电池难以安装的场所设置高性能、实用的太阳能电池，因此也有望创造新市场。 与此次技术开发和成果相关的碱金属添加效果和CIS类太阳能电池的p-n结界面控制相关的基础知识，刊登在了美国物理学会发行的Physical Review Applied杂志上，2021年5月4日。 本研究开发除了产业综合研究所和丰田的共同研究之外， 一部分是国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构(以下称为“NEDO”)的委托事业“太阳能发电主力电源化推进技术开发/太阳能发电的新市场创造技术开发/薄膜型超轻模块太阳能电池的开发(面向重量有限的屋顶) (轻型基板上化合物薄膜太阳能电池的高效化技术开发) 在公益财团法人三菱财团自然科学研究资助( No. 201910001 )和日本学术振兴会科学研究费资助事业( 19K05282 )的支持下进行。 研究的内容 此次太阳能电池微型模块的性能提高，是通过改良不仅在以往的玻璃基板上，而且在轻量柔性薄膜基板上形成高性能CIS类太阳能电池所需的碱金属添加控制技术而实现的。 为了改善CIS系薄膜的光电转换特性，使用了ASTL法(专利第5366154号)，在光吸收层的制膜后也进行了碱金属的添加。 基板使用了韧性和弹性优异的柔性陶瓷片(基板自身不含碱金属)，验证了着眼于在多种基板上应用的CIS类太阳能电池模块形成技术。 在图1中显示了制作的17单元集成型柔性CIS系太阳能电池微型模块和第三方机构的性能测量结果数据表。 红线为电流-电压曲线(左轴)，绿线为电力-电压曲线(右轴)。 根据数据表的记载值、以及该值进一步计算求出的太阳能电池性能参数为:转换效率18.6 %、开路电压12.7 V(1 (每电池0.747 V )、短路电流密度34.6 mA/cm2、曲线因子72.0 %。
图1 (左)光电转换效率达到18.6 % (面积68.0 cm2 )的轻量柔性CIS系太阳能电池微型模块的外观 (右)该小型模块的产综研可再生能源研究中心太阳能评价标准小组的性能测定结果数据表 如上所述，CIS类太阳能电池模块在国内外实现了19 %以上的转换效率，有机-无机混合钙钛矿类太阳能电池模块也报告了18 %左右的效率。 但是，这些基板是玻璃，没有轻量性、柔软性。 此次，作为轻量、柔性的太阳能电池微型模块，实现了18 %以上的转换效率，为利用CIS类材料的太阳能发电的用途扩大铺平了道路。 今后的预定 在轻量、柔性的CIS类太阳能电池微型模块中，光电转换效率刷新了世界最高值。 但是，作为太阳能电池性能指标之一的曲线因子的值仅为72.0 %，还很低。 因此，通过曲线因子的改善有望进一步提高性能。 关于CIS系太阳能电池研究开发的NEDO委托事业的2022年末目标是，利用30 cm见方以上的模块，除效率达到18 %以上外，还将获得制造成本35日元/W以下的预测等，为了实现这些目标，将通过与企业和大学等的合作进行研究开发。 另外，还将进一步改善CIS系光吸收层和p-n结界面的质量提高等要素技术，以实现更高的光电转换效率。 参考信息 丰田企业网站“关系未来的研究” 以能够在所有材质上形成的薄膜型太阳能电池为目标 ~利用具有柔软性的CIS系太阳能电池微型模块，实现了世界最高水平的发电效率18.6 % https://www.Toyota.com/JPN /技术/合作伙伴/网络/ 202105 _ 01.html 用语说明 ◆CIS系太阳能电池 是以铜( Cu )、铟( In )、硒( Se )三种元素为主体，以向其中添加镓( Ga )和硫( s )等的硫族化物类薄膜为光吸收层的太阳能电池的总称。 除了具有光电转换效率高、长期可靠性高、抗辐射性高等特点外，还具有漆黑的图案设计等特点。 面向CIS类太阳能电池和太阳能发电相关的非专业人士的通俗解说也可以在YouTube“太阳能电池大学”等网站上查看(外部网站: https:///4UDUDt7ZZIo ) [返回参照来源] ◆小型模块 将多个太阳能电池单元进行连接密封等封装后的组件称为太阳能电池模块。 面积不同，大型模块、子模块等的称呼也不同，小型模块的分类不到200 cm2。 返回参照源 ◆光电转换效率 相对于输入的光能，作为输出转换为电能的比例。 太阳能电池的光电转换效率在大学·研究机构和企业等的自行测量中自称为数值，难以保证可靠性。 因此，经常将由产综研(日本)、美国国立可再生能源研究所(美国)、夫琅和费研究机构(德国)等外部机构测定的光电转换效率作为可靠性得到保证的第三方机构测定值进行公布。 特别是被公认为“世界最高效率”等的数值基于该第三方机构测量值。 返回参照源 ◆集成型结构 在一块基板上集成了多个太阳能电池单元的结构(图2左)。 在一块基板上制作背面电极层和CIS系光吸收层的图案，进行各个太阳能电池之间的连接。 在CIS系和有机-无机混合钙钛矿系等薄膜型太阳能电池中被采用。 在以往的结晶硅系太阳能电池等中，使用将各个太阳能电池单元通过配置在单元表面的栅格电极和用于单元间连接的汇流条电极连接的如图2右所示的模块结构(图都是CIS系太阳能电池的例子)。 返回参照源
◆19 %以上的转换效率 玻璃基板的CIS系太阳能电池模块中，太阳能前体(日本)为19.2 % (面积841 cm2、2017年)、19.8 % (面积24.2 cm2、2017年)、AVANCIS (德国)为19.6 % (面积671 ) 返回参照源 ◆18 %左右的效率 玻璃基板的有机-无机混合钙钛矿型太阳能电池模块中，松下(日)为17.9 % (面积804 cm2，2020年)，北卡罗莱纳大(美)为18.6 % (面积29.5 cm2，2020年)的变化 返回参照源 ◆欧洲的研究机构报告了16.9 % 瑞士联邦材料试验研究所( Empa )报告了使用聚酰亚胺薄膜作为基板的轻量柔性CIS系太阳能电池微型模块的16.9 % (面积10.2 cm2，2015年)的转换效率。 返回参照源 ◆添加碱金属 制造CIS系太阳能电池时，支撑基板中含有的钠等碱金属等扩散到CIS系光吸收层的制膜过程中并被CIS系光吸收层吸收，从而可以提高太阳能电池性能。 返回参照源 ◆ASTL法 在形成背面电极层之前， 作为碱金属供给层(基板使用金属箔等导电性材料时，还承担绝缘层的作用)，使用数十纳米(纳米为毫米的百万分之一)到数微米(微米为毫米的千分之一)的硅酸盐玻璃薄膜( alkali-silicate glate ) 制成，通过控制该层的制膜条件来控制通过背面电极层进入CIS类光吸收层的碱金属量的方法(产总研新闻发表，2008年7月16日)。 返回参照源 ◆光电转换特性的改善 通过碱金属添加控制提高轻量·柔性型CIS系太阳能电池性能的技术概要(图3 )。 返回参照源  图3 CIS系光吸收层中添加碱金属的概略图 ◆太阳能电池性能参数 支配太阳能电池重要性能——光电转换效率(η)的参数。 代表性的参数是开路电压( Voc )、短路电流密度( Jsc )、曲线因子( FF )，与光电转换效率的关系由下式表示。 η= Voc×Jsc×FF [返回参照源] ◆曲线因子 太阳能电池的最大输出除以开路电压和短路电流的积得到的值。 被称为填充因子( ff )。 作为判断电流-电压曲线形状好坏的指标，越接近100 %越好。 返回参照源 |
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图2集成型(左)和栅电极型(右)的示例
