用CIS类太阳能电池材料成功高效生成氢-界面改性提高了太阳能电池和水分解氢生成两者的性能--
重点 将太阳能电池材料CIS基薄膜应用于水分解产氢 开发了专门针对CIS类宽间隙材料的界面改性方法 用可见光分解水，提高光电极的性能
CIS基薄膜材料在太阳能电池及水分解氢生成中的应用
概要 国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产综研”)节能研究部门石冢尚吾首席研究员和甲南大学池田茂教授开发了作为太阳能电池有前景的CIS系材料CuGaSe2的p-n结界面控制方法，在太阳能电池和水分解氢生成光电极这两种不同的能量转换器件中，使用同一CuGaSe2成功地提高了各自的性能。该成果表明，迄今为止主要用作太阳能电池的CIS系材料，也有望用于光电化学单元的水分解氢生成，有望应用于以CIS系为首的多元系化合物薄膜材料的新型能量转换技术。 使用宽间隙CIS类材料的太阳能电池和光电化学单元难以实现高性能化，但通过此次开发的界面改性方法实现了性能的提高。 此外，该成果的详细内容将于2022年8月2日(德国时间)刊登在“高级材料接口”上。
开发的社会背景 为了实现2050年的碳中和，在以减少二氧化碳( CO2 )的排放量为目标的过程中，可再生能源的普及备受期待。 特别是对太阳能发电和氢能的关注度很高，全世界都在进行相关技术的研究开发。 近年来，提出了与作为主流的结晶硅系太阳能电池不同的各种太阳能电池，其中CIS系太阳能电池以高光电转换效率和优异的长期可靠性等特长而闻名。 另外，CIS系材料还可以活用薄膜材料的特长，使能量转换器件轻量化和具有柔软性等。 禁带宽度宽的宽间隙CIS系材料，在以实现廉价的新一代串联型太阳能电池为目标的基础上，作为吸收波长短的蓝色光的顶单元材料，特别受到关注。 另一方面，在光电化学方法实用的水分解氢生成中，开发满足实现所需的性能、稳定性、成本等条件的理想光电极材料是课题。
研究的经过 产总研以CIS系太阳能电池的高效化基础技术为中心，致力于面向轻量柔性型和串联型应用的开发。 特别是宽间隙CIS系材料，作为吸收短波长光的顶单元材料很有前景，但与单结型太阳能电池中使用的窄间隙CIS系不同，难以进行缺陷和物性的控制、高性能化。 因此，宽间隙CIS系太阳能电池的性能的改善成为重要课题。 另外，水分解氢的生成需要理论分解电压1.23 V加上过电压部分的电压。 其实现要求具有宽禁带宽度(宽间隙)的光电极材料。 作为宽间隙CIS类材料之一的CuGaSe2具有约1.7 eV的禁带宽度。 因此，不仅是串联型太阳能电池的顶级电池，在水分解氢生成电池的用途中也有前景。 但是，表示光-氢转换效率的指标HC-STH效率( Half-cell solar-to-hydrogen )迄今为止只停留在1%左右。 即使将CuGaSe2用于氢生成单元的光电极(阴极)，也没有得到可以讨论实用化的转换效率。 对此，产综研和甲南大的研究小组通过此次技术前一阶段的CuGaSe2制膜技术的改善，成功实现了性能的飞跃性改善，在水分解氢生成单元中实现了超过6%的HC-STH效率。 另外，此次的研究开发有助于日本学术振兴会科学研究经费资助事业( 19H02822、19K05282、20H05120 )，以及部分是国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构的委托事业“清洁能源领域的创新技术的国际共同研究开发事业/CO2大幅削减 在CIS系串联太阳能电池要素技术的国际共同研究开发( 2021~2023年度)”、甲南学园平生太郎基金科学研究奖励补助金以及木下纪念事业团的支持下实施。
研究内容 在此次的技术中，通过控制铜( Cu )缺乏层的形成和碱金属的添加等，设计了CuGaSe2薄膜表面部分的界面改性，开发了抑制p-n结界面附近的载流子复合的方法。 众所周知，在CIS系太阳能电池中，添加碱金属可以使性能得到飞跃性的提高，这俗称“碱金属效应”。 为了得到该效果，在以往的窄间隙CIS系太阳能电池中，一般使用在CIS系薄膜的制膜后，以比制膜时的基板温度( 550℃左右)稍低的温度( 350℃左右)向薄膜表面照射供给KF或RbF等碱金属卤化物的方法 。但是，欧洲的研究机构开发的该后沉积( PDT )法在宽间隙CIS系中有效性较低，因此需要专门针对宽间隙CIS系的、与以往不同的用于改善性能的技术。 因此，我们尝试了在CuGaSe2薄膜中，不像PDT法那样在制膜后添加碱，而是在制膜即将结束之前的表面形成时，在供给作为CuGaSe2薄膜的构成元素的Ga和Se的同时，供给碱金属卤化物的方法。 对于宽间隙CIS类太阳能电池，改善开路电压和曲线因子是特别重要的课题，但通过这种方法可以改善这些参数(图1 )。 特别是，宽间隙CIS系太阳能电池的曲线因子，至今为止最高也只有70%左右的报告，但这次，使用该方法可以提高到74.6%。
图2产综合研究所可再生能源研究中心太阳能评价标准小组的测定结果。 红线表示电流-电压曲线(左轴)，绿线表示功率-电压曲线(右轴)。
接着，这次把太阳能电池中使用的CuGaSe2薄膜构成了光电化学单元的光电极。 此次，使用几乎中性( pH 6.8 )的水溶液测量的水分解氢生成的性能如图3所示。 通过使用在CuGaSe2制膜即将结束之前用供给碱金属卤化物的方法制作的光电极，得到了超过8%的高HC-STH效率。 另外，通过使用基于薄膜表面的Cu缺乏层的厚度控制进行了界面改性的光电极，还得到了超过0.9 V的大的偏移势。 迄今为止，在以宽间隙CIS系材料CuGaSe2薄膜为光电极的水分解氢生成中，HC-STH效率通常仅为1%左右的报告，超过8%的数值将成为世界最高水平。
※本新闻稿的图1和图3使用的是对原论文《Advanced Materials Interfaces》中的图进行引用修改后的内容。
今后的计划 今后不仅要致力于界面改性，还将致力于改善宽间隙CIS类薄膜的整体特性，在太阳能电池和光电化学单元中分别谋求进一步提高性能。 作为串联型太阳能电池用途，我们的目标是通过进一步提高开路电压和曲线因子实现高效率化，另外，在光电化学单元中，除了不需要与BiVO4等光电极(阳极)组合进行外部电源供给的水分解氢生成器件以外，还将应用于CO2还原器件等。
论文信息 刊登杂志:高级材料接口 论文标题:Enhanced performance of ternary CuGaSe2 thin-film photovoltaic solar cells and photoelectrochemical water splitting hydrogen evolution with modified p-n heterointerfaces作者: Shogo Ishizuka，Riku Okamoto，and Shigeru Ikeda。
用语解说 CIS系 以铜( Cu )、铟( In )、硒( Se )等为构成元素，具有黄铜矿型晶体结构的化合物的总称。 是通过控制( Ag，Cu ) ( In，Ga ) ( s，Se ) 2等各种元素的组合和组成比率，能够控制禁带宽度等物性的材料群。联系客服
