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-光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.6 %，加速太陽能發(fā)電的普及- 重點 輕量性和曲面追隨性優(yōu)異的集成型CIS系太陽能電池小型模塊的性能提高 利用改良的堿金屬添加控制技術(shù)，可以在各種各樣的基板上形成CIS系太陽能電池 期待通過高光電轉(zhuǎn)換效率擴大太陽能發(fā)電的普及和由此帶來的CO2排放量的削減 概要 國立研究開發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所【理事長石村和彥】(以下稱為“產(chǎn)綜研”)節(jié)能研究部門【研究部門長堀田照久】化合物薄膜材料小組石冢尚吾研究小組組長、上川由紀(jì)子主任研究員， 與豐田汽車株式會社未來創(chuàng)生中心【未來創(chuàng)生中心長古賀伸彥】(以下稱為“豐田”) R-前沿部第6基礎(chǔ)研究組增田泰造集團長共同，輕量、柔性的CIS系太陽能電池微型模塊達(dá)到世界最高的光電轉(zhuǎn)換效率18.6 % ( 18.6 % ) 通過改進(jìn)堿金屬添加控制技術(shù)改善CIS基光吸收層的特性等，成功提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 輕量性和長期可靠性優(yōu)異，曲面追隨性也高，也可以設(shè)置在以往的太陽能發(fā)電系統(tǒng)難以導(dǎo)入的地方。 由于應(yīng)用范圍擴大，可以期待新的市場創(chuàng)造，期待太陽能發(fā)電的進(jìn)一步普及和由此帶來的CO2排放量的大幅削減。 本成果將在2021年9月6~9日召開的國際會議2021年國際會議·固態(tài)設(shè)備與材料( ssdm 2021 )上發(fā)表。
輕量柔性CIS系太陽能電池微型模塊與以往玻璃基板品的比較 開發(fā)的社會背景 在為實現(xiàn)2050年碳中和而削減二氧化碳( CO2 )排放量的目標(biāo)中，可再生能源的普及受到了很大的期待。 關(guān)于可再生能源之一的太陽能發(fā)電，除了主流的結(jié)晶硅類太陽能電池外，各種類型的太陽能電池從尖端研究開發(fā)的舞臺逐漸登場到身邊的生活環(huán)境。 特別是CIS系太陽能電池，眾所周知其光電轉(zhuǎn)換效率高、長期可靠性也優(yōu)異等特點。 以往的CIS類太陽能電池由于使用的是重量較大的玻璃基板，因此沒有充分發(fā)揮作為薄膜型太陽能電池的特色。 因此，利用其特長，使用輕量且可跟蹤曲面的基板的高性能CIS類太陽能電池模塊的開發(fā)，作為太陽能發(fā)電廣泛普及的關(guān)鍵備受期待。 今后的太陽能發(fā)電中，需要減少布局制約克服型的新的太陽能電池以及進(jìn)一步的成本。 研究的經(jīng)過 產(chǎn)業(yè)綜合研究所為了擴大太陽能發(fā)電的普及，正在致力于各種各樣的太陽能電池材料和器件的研究開發(fā)。 目前，在CIS類太陽能電池的研究開發(fā)中，除了開發(fā)使以往的玻璃基板上的太陽能電池更高效的技術(shù)和應(yīng)用于多接合型太陽能電池的技術(shù)以外，為了擴大用途，以使用薄膜基板等的輕量、柔性太陽能電池的高性能化為目標(biāo)，迄今為止通過與企業(yè)和大學(xué)的合作進(jìn)行了研究開發(fā) 另外，豐田從2005年左右開始致力于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的車輛應(yīng)用研究。 由于車輛的重量與燃料消耗率和電力消耗率直接相關(guān)，因此需要輕量的太陽能電池模塊。 耐用、可跟蹤曲面的太陽能電池進(jìn)一步擴大了搭載車輛的可能性。 與以往的玻璃基板相比，很難在薄膜基板上形成高性能的CIS類太陽能電池。 這是因為薄膜基板上和玻璃基板上的太陽能電池形成工藝不同。 在CIS系太陽能電池中，從玻璃基板向光吸收層擴散添加的堿金屬是高性能化所必需的，但在不含堿金屬的薄膜基板中無法期待該擴散添加，因此需要與玻璃基板上不同的堿金屬添加控制技術(shù)等，需要克服的課題較大。 這次，我們改進(jìn)了制作CIS類太陽能電池所需的堿金屬添加控制技術(shù)，提高了作為光吸收層的多晶CIS類薄膜及其表面界面的質(zhì)量，致力于提高太陽能電池器件的性能。 CIS系太陽能電池模塊在國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)到了19 %以上的轉(zhuǎn)換效率，另外，最近在全世界研究開發(fā)活躍的有機-無機混合鈣鈦礦太陽能電池模塊也報告了18 %左右的效率。 但是，這些轉(zhuǎn)換效率是基于玻璃基板的性能，不是使用薄膜基板等的輕量柔性太陽能電池的性能。 作為迄今為止輕量、靈活的CIS類太陽能電池微型模塊的世界最高效率，歐洲的研究機構(gòu)報告了16.9 %。 如果能進(jìn)一步提高性能，除了搭載車輛外，還可以在工廠屋頂?shù)扔心拓?fù)荷限制的場所和曲面等以往太陽能電池難以安裝的場所設(shè)置高性能、實用的太陽能電池，因此也有望創(chuàng)造新市場。 與此次技術(shù)開發(fā)和成果相關(guān)的堿金屬添加效果和CIS類太陽能電池的p-n結(jié)界面控制相關(guān)的基礎(chǔ)知識，刊登在了美國物理學(xué)會發(fā)行的Physical Review Applied雜志上，2021年5月4日。 本研究開發(fā)除了產(chǎn)業(yè)綜合研究所和豐田的共同研究之外， 一部分是國立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(以下稱為“NEDO”)的委托事業(yè)“太陽能發(fā)電主力電源化推進(jìn)技術(shù)開發(fā)/太陽能發(fā)電的新市場創(chuàng)造技術(shù)開發(fā)/薄膜型超輕模塊太陽能電池的開發(fā)(面向重量有限的屋頂) (輕型基板上化合物薄膜太陽能電池的高效化技術(shù)開發(fā)) 在公益財團法人三菱財團自然科學(xué)研究資助( No. 201910001 )和日本學(xué)術(shù)振興會科學(xué)研究費資助事業(yè)( 19K05282 )的支持下進(jìn)行。 研究的內(nèi)容 此次太陽能電池微型模塊的性能提高，是通過改良不僅在以往的玻璃基板上，而且在輕量柔性薄膜基板上形成高性能CIS類太陽能電池所需的堿金屬添加控制技術(shù)而實現(xiàn)的。 為了改善CIS系薄膜的光電轉(zhuǎn)換特性，使用了ASTL法(專利第5366154號)，在光吸收層的制膜后也進(jìn)行了堿金屬的添加。 基板使用了韌性和彈性優(yōu)異的柔性陶瓷片(基板自身不含堿金屬)，驗證了著眼于在多種基板上應(yīng)用的CIS類太陽能電池模塊形成技術(shù)。 在圖1中顯示了制作的17單元集成型柔性CIS系太陽能電池微型模塊和第三方機構(gòu)的性能測量結(jié)果數(shù)據(jù)表。 紅線為電流-電壓曲線(左軸)，綠線為電力-電壓曲線(右軸)。 根據(jù)數(shù)據(jù)表的記載值、以及該值進(jìn)一步計算求出的太陽能電池性能參數(shù)為:轉(zhuǎn)換效率18.6 %、開路電壓12.7 V(1 (每電池0.747 V )、短路電流密度34.6 mA/cm2、曲線因子72.0 %。
圖1 (左)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.6 % (面積68.0 cm2 )的輕量柔性CIS系太陽能電池微型模塊的外觀 (右)該小型模塊的產(chǎn)綜研可再生能源研究中心太陽能評價標(biāo)準(zhǔn)小組的性能測定結(jié)果數(shù)據(jù)表 如上所述，CIS類太陽能電池模塊在國內(nèi)外實現(xiàn)了19 %以上的轉(zhuǎn)換效率，有機-無機混合鈣鈦礦類太陽能電池模塊也報告了18 %左右的效率。 但是，這些基板是玻璃，沒有輕量性、柔軟性。 此次，作為輕量、柔性的太陽能電池微型模塊，實現(xiàn)了18 %以上的轉(zhuǎn)換效率，為利用CIS類材料的太陽能發(fā)電的用途擴大鋪平了道路。 今后的預(yù)定 在輕量、柔性的CIS類太陽能電池微型模塊中，光電轉(zhuǎn)換效率刷新了世界最高值。 但是，作為太陽能電池性能指標(biāo)之一的曲線因子的值僅為72.0 %，還很低。 因此，通過曲線因子的改善有望進(jìn)一步提高性能。 關(guān)于CIS系太陽能電池研究開發(fā)的NEDO委托事業(yè)的2022年末目標(biāo)是，利用30 cm見方以上的模塊，除效率達(dá)到18 %以上外，還將獲得制造成本35日元/W以下的預(yù)測等，為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，將通過與企業(yè)和大學(xué)等的合作進(jìn)行研究開發(fā)。 另外，還將進(jìn)一步改善CIS系光吸收層和p-n結(jié)界面的質(zhì)量提高等要素技術(shù)，以實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。 參考信息 豐田企業(yè)網(wǎng)站“關(guān)系未來的研究” 以能夠在所有材質(zhì)上形成的薄膜型太陽能電池為目標(biāo) ~利用具有柔軟性的CIS系太陽能電池微型模塊，實現(xiàn)了世界最高水平的發(fā)電效率18.6 % https://www.Toyota.com/JPN /技術(shù)/合作伙伴/網(wǎng)絡(luò)/ 202105 _ 01.html 用語說明 ◆CIS系太陽能電池 是以銅( Cu )、銦( In )、硒( Se )三種元素為主體，以向其中添加鎵( Ga )和硫( s )等的硫族化物類薄膜為光吸收層的太陽能電池的總稱。 除了具有光電轉(zhuǎn)換效率高、長期可靠性高、抗輻射性高等特點外，還具有漆黑的圖案設(shè)計等特點。 面向CIS類太陽能電池和太陽能發(fā)電相關(guān)的非專業(yè)人士的通俗解說也可以在YouTube“太陽能電池大學(xué)”等網(wǎng)站上查看(外部網(wǎng)站: https:///4UDUDt7ZZIo ) [返回參照來源] ◆小型模塊 將多個太陽能電池單元進(jìn)行連接密封等封裝后的組件稱為太陽能電池模塊。 面積不同，大型模塊、子模塊等的稱呼也不同，小型模塊的分類不到200 cm2。 返回參照源 ◆光電轉(zhuǎn)換效率 相對于輸入的光能，作為輸出轉(zhuǎn)換為電能的比例。 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在大學(xué)·研究機構(gòu)和企業(yè)等的自行測量中自稱為數(shù)值，難以保證可靠性。 因此，經(jīng)常將由產(chǎn)綜研(日本)、美國國立可再生能源研究所(美國)、夫瑯和費研究機構(gòu)(德國)等外部機構(gòu)測定的光電轉(zhuǎn)換效率作為可靠性得到保證的第三方機構(gòu)測定值進(jìn)行公布。 特別是被公認(rèn)為“世界最高效率”等的數(shù)值基于該第三方機構(gòu)測量值。 返回參照源 ◆集成型結(jié)構(gòu) 在一塊基板上集成了多個太陽能電池單元的結(jié)構(gòu)(圖2左)。 在一塊基板上制作背面電極層和CIS系光吸收層的圖案，進(jìn)行各個太陽能電池之間的連接。 在CIS系和有機-無機混合鈣鈦礦系等薄膜型太陽能電池中被采用。 在以往的結(jié)晶硅系太陽能電池等中，使用將各個太陽能電池單元通過配置在單元表面的柵格電極和用于單元間連接的匯流條電極連接的如圖2右所示的模塊結(jié)構(gòu)(圖都是CIS系太陽能電池的例子)。 返回參照源
◆19 %以上的轉(zhuǎn)換效率 玻璃基板的CIS系太陽能電池模塊中，太陽能前體(日本)為19.2 % (面積841 cm2、2017年)、19.8 % (面積24.2 cm2、2017年)、AVANCIS (德國)為19.6 % (面積671 ) 返回參照源 ◆18 %左右的效率 玻璃基板的有機-無機混合鈣鈦礦型太陽能電池模塊中，松下(日)為17.9 % (面積804 cm2，2020年)，北卡羅萊納大(美)為18.6 % (面積29.5 cm2，2020年)的變化 返回參照源 ◆歐洲的研究機構(gòu)報告了16.9 % 瑞士聯(lián)邦材料試驗研究所( Empa )報告了使用聚酰亞胺薄膜作為基板的輕量柔性CIS系太陽能電池微型模塊的16.9 % (面積10.2 cm2，2015年)的轉(zhuǎn)換效率。 返回參照源 ◆添加堿金屬 制造CIS系太陽能電池時，支撐基板中含有的鈉等堿金屬等擴散到CIS系光吸收層的制膜過程中并被CIS系光吸收層吸收，從而可以提高太陽能電池性能。 返回參照源 ◆ASTL法 在形成背面電極層之前， 作為堿金屬供給層(基板使用金屬箔等導(dǎo)電性材料時，還承擔(dān)絕緣層的作用)，使用數(shù)十納米(納米為毫米的百萬分之一)到數(shù)微米(微米為毫米的千分之一)的硅酸鹽玻璃薄膜( alkali-silicate glate ) 制成，通過控制該層的制膜條件來控制通過背面電極層進(jìn)入CIS類光吸收層的堿金屬量的方法(產(chǎn)總研新聞發(fā)表，2008年7月16日)。 返回參照源 ◆光電轉(zhuǎn)換特性的改善 通過堿金屬添加控制提高輕量·柔性型CIS系太陽能電池性能的技術(shù)概要(圖3 )。 返回參照源  圖3 CIS系光吸收層中添加堿金屬的概略圖 ◆太陽能電池性能參數(shù) 支配太陽能電池重要性能——光電轉(zhuǎn)換效率(η)的參數(shù)。 代表性的參數(shù)是開路電壓( Voc )、短路電流密度( Jsc )、曲線因子( FF )，與光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系由下式表示。 η= Voc×Jsc×FF [返回參照源] ◆曲線因子 太陽能電池的最大輸出除以開路電壓和短路電流的積得到的值。 被稱為填充因子( ff )。 作為判斷電流-電壓曲線形狀好壞的指標(biāo)，越接近100 %越好。 返回參照源 |
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圖2集成型(左)和柵電極型(右)的示例
