国立先进产业技术综合研究所【会长石村和彦】（以下简称“AIST”）节能研究部【研究主任堀田辉久】复合薄膜材料组石冢正吾研究组组长上川由纪子首席研究员为丰田汽车公司未来创造中心【未来创造中心主任古贺信彦】（以下简称“丰田”） R-Frontier部门第六基础研究小组与小组组长增田泰三合作，轻量且灵活CIS太阳能电池迷你模块世界上最好的光电转换效率186%（17 个单元）一体化结构，受光面积680cm2)。我们通过碱金属添加控制技术的改进，改善了CIS光吸收层的特性，成功地提高了光电转换效率。它重量轻，具有出色的长期可靠性，并且具有出色的曲面追随能力，使其可以安装在传统太阳能发电系统难以安装的地方。随着应用范围的扩大，我们可以期待新市场的创造，太阳能发电的进一步普及以及由此带来的二氧化碳排放的显着减少2预计排放量会减少。
此结果将于 2021 年 9 月 6 日至 9 日举行的 2021 年国际固态器件与材料会议 (SSDM2021) 上公布。
轻质柔性CIS太阳能电池迷你模块与传统玻璃基板产品比较
二氧化碳（CO），争取在 2050 年实现碳中和）2)排放，人们对可再生能源的推广抱有很高的期望。对于太阳能发电这种可再生能源，除了主流的晶体硅太阳能电池外，现在各种类型的太阳能电池也从尖端研发阶段出现到日常生活环境中。特别是CIS太阳能电池以其高光电转换效率和优异的长期可靠性而闻名。
传统的CIS太阳能电池使用厚重的玻璃基板，因此无法充分利用其作为薄膜太阳能电池的特性。因此，开发利用这些特性并使用可跟随曲面的轻质基板的高性能CIS太阳能电池模块预计将成为太阳能发电广泛使用的关键。未来的太阳能发电将需要能够克服位置限制并进一步降低成本的新型太阳能电池。
AIST正在致力于各种太阳能电池材料和设备的研究和开发，以扩大太阳能发电的使用。目前，在CIS太阳能电池的研发中，除了开发进一步提高玻璃基板上的传统太阳能电池的效率的技术和多结太阳能电池的应用技术外，我们还致力于提高使用薄膜基板的轻量、柔性太阳能电池的性能，以扩大应用范围。迄今为止，我们一直在与企业和大学合作进行研究和开发（AIST新闻发布，2008 年 7 月 16 日、2010 年 2 月 25 日、2011 年 6 月 20 日）。
此外，从2005年左右开始，丰田就一直在进行太阳能发电系统在车辆上的应用研究。由于车辆的重量与燃油效率和电力消耗直接相关，因此需要轻质的太阳能电池模块。太阳能电池具有出色的耐用性和跟踪曲面的能力，进一步扩大了安装在车辆上的可能性。
与传统玻璃基板相比，在薄膜基板上形成高性能CIS太阳能电池一直很困难。这是由于薄膜基板和玻璃基板上的太阳能电池形成工艺的差异造成的。在CIS太阳能电池中，通过从玻璃基板扩散到光吸收层中而添加的碱金属对于高性能来说是必要的，但是对于不含碱金属的薄膜基板来说，这种扩散添加是不可能的，因此存在需要克服的重大问题，例如需要与玻璃基板上不同的碱金属添加控制技术。
这次，我们致力于通过改进控制 CIS 太阳能电池生产所需的碱金属添加量的技术，并提高作为光吸收层的多晶 CIS 薄膜及其表面和界面的质量，来提高太阳能电池器件的性能。 CIS 太阳能电池模块已在日本和海外上市。19% 或更高的转换效率在有机-无机混合钙钛矿太阳能电池模块方面也取得了进展，最近世界各地都在积极研究和开发效率约为 18%已被报道。然而，这些转换效率基于玻璃基板的性能，而不是使用薄膜基板等的轻质柔性太阳能电池的性能。作为迄今为止全球最高效率的轻型柔性CIS太阳能电池迷你组件，欧洲研究机构报告 169%我是。如果能进一步提高性能，除了安装在车辆上外，还可以在工厂屋顶等负载能力有限的地方、曲面等传统太阳能电池难以安装的地方安装高性能、实用的太阳能电池，从而创造新的市场。
CIS太阳能电池中添加碱金属的影响和p-n结界面控制相关的基础知识将导致这一技术发展和成果，将由美国物理学会出版已应用物理审核2021 年 5 月 4 日杂志。
除了AIST和丰田之间的联合研究之外，这项研究和开发还部分委托新能源和产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”），该机构是一家名为“促进太阳能发电作为主要电源的技术开发/太阳能发电新市场创造技术的开发/薄膜型超轻模块太阳能电池的开发（用于重量限制的屋顶）（复合材料高效技术的开发）”的国家研究开发机构轻质基板上的薄膜太阳能电池（2020-2024）”，三菱财团自然科学研究补助金（编号：201910001）和日本学术振兴会科学研究补助金（19K05282）。
这种太阳能电池微型模块的性能改进对于不仅在传统玻璃基板上而且在轻质柔性薄膜基板上形成高性能CIS太阳能电池是必要的碱金属添加通过改进控制技术实现。 CIS薄膜光电转换特性的改善待办事项ASTL 方法使用(专利第5366154号)，在形成光吸收层后也添加碱金属。我们使用具有优异韧性和弹性的柔性陶瓷片（基板本身不含碱金属）作为基板，验证了CIS太阳能电池模块的形成技术，并着眼于在各种基板上的应用。图1显示了已制作的17片集成柔性CIS太阳能电池迷你组件以及第三方机构的性能测量结果数据表。红线是电流-电压曲线（左轴），绿线是功率-电压曲线（右轴）。数据表中列出的值并根据这些值进一步计算太阳能电池性能参数转换效率为186%，开路电压为127 V（每节电池0747 V），短路电流密度为346 mA/cm2、填充因子720%。
图1（左）光电转换效率186%（面积680 cm2)
（右）AIST可再生能源研究中心太阳能评估和标准小组对同一迷你组件的性能测量结果数据表
如上所述，CIS太阳能电池组件在国内外均已实现19%以上的转换效率，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池组件的效率也有报道在18%左右。然而，这些基板由玻璃制成，重量不轻，也不柔韧。这次，我们通过实现转换效率超过18%的轻质柔性太阳能电池微型模块，为扩大CIS材料太阳能发电的使用开辟了一条重要道路。
轻质柔性CIS太阳能电池微型模块的光电转换效率已达到世界最高值。然而，作为太阳能电池性能指标之一的填充因子值仍然较低，仅为720%。因此，通过提高填充因子，有望进一步提高性能。与CIS太阳能电池研发相关的NEDO委托项目到2022财年末的目标包括实现30平方厘米或更大的组件效率达到18%以上，以及生产成本低于35日元/W。为了实现这些目标，我们将与公司、大学和其他机构合作进行研究和开发。此外，我们的目标是通过进一步改进基础技术，例如提高CIS光吸收层和p-n结界面的质量，实现更高的光电转换效率。