CIS系太陽電池材料で高効率な水素生成を達成、太陽電池と水素製造の効率化を両立太陽光

産業技術総合研究所が太陽電池として有望なCIS系材料を用いて高効率な水素生成に成功。これまで主に太陽電池として用いられてきたCIS系材料が、光電気化学セルによる水分解水素生成にも有望であることを示す成果であり、CIS系をはじめとする多元系化合物薄膜材料を用いた、新たなエネルギー変換技術への展開が期待されるとしている。

» 2022年08月03日 13時00分 公開
[スマートジャパン]

 産業技術総合研究所は2022年8月2日、太陽電池として有望なCIS系材料を用いて高効率な水素生成に成功したと発表した。これまで主に太陽電池として用いられてきたCIS系材料が、光電気化学セルによる水分解水素生成にも有望であることを示す成果であり、CIS系をはじめとする多元系化合物薄膜材料を用いた、新たなエネルギー変換技術への展開が期待されるとしている。

 太陽光などを利用した光電気化学的手法による水分解水素生成の普及に向けては、実現に必要な性能、安定性、コストなどの条件を満たす理想的な光電極材料の開発が課題となっている。水分解水素生成には、理論分解電圧1.23Vに過電圧分を加えた電圧が必要で、その実現には広い禁制帯幅(ワイドギャップ)を有する光電極材料が求められている。

 一方、次世代太陽電池に用いられるCIS系材料は、薄膜材料という特長を生かし、エネルギー変換デバイスの軽量化や柔軟性を持たせることができる。なかでも禁制帯幅の広いワイドギャップCIS系材料は、安価な次世代タンデム型太陽電池のトップセル材料として注目されている他、ワイドギャップCIS系材料の一つであるCuGaSe2は約1.7eVの禁制帯幅を持つため、水分解水素生成セルの用途でも有望視されているという。

CIS系薄膜材料の太陽電池および水分解水素生成への応用イメージ 出典:産総研

 しかし、CuGaSe2は、光−水素変換効率を示す指標であるHC-STH効率(Half-cell solar-to-hydrogen)がこれまで1%程度にとどまっていた。また、同材料を水素生成セルの光電極(カソード)に用いても、実用化を議論できるほどの変換効率は得られていなかった。

 そこで産総研では同材料の性能向上に向けて、銅(Cu)欠乏層形成やアルカリ金属添加などを制御することにより、CuGaSe2薄膜の表面部分における界面改質を考案し、p-n接合界面付近のキャリア再結合を抑制する手法の開発に取り組んだ。

 具体的には、CuGaSe2薄膜において、欧州の研究機関が開発したポストデポジショントリートメント(PDT)法のように製膜後にアルカリを添加するのではなく、製膜終了直前の表面形成時に、CuGaSe2薄膜の構成元素であるGa(ガリウム)やSe(セレン)の供給と同時に、アルカリ金属ハロゲン化物を供給する手法を試みた。

 ワイドギャップCIS系太陽電池では、特に開放電圧と曲線因子の改善が重要課題だったが、この手法により、これらのパラメータを改善することに成功。特に、ワイドギャップCIS系太陽電池の曲線因子は、これまで最高でも70%程度の報告にとどまっていたが、この手法を用いて74.6%まで高めることができたという。

CuGaSe2製膜終了直前アルカリ添加によって改善した太陽電池パラメータおよび電流―電圧曲線 出典:産総研

 また、CuGaSe2の化学量論組成よりもCuが欠乏した層を適度な厚さで表面に形成することにより、CuGaSe2太陽電池の開放電圧が改善できることも見出した。Cu欠乏層の制御により、CuGaSe2太陽電池の第三者機関測定値としては世界最高となる11.05%の変換効率を、高い開放電圧(0.960V)と曲線因子(72.4%)を両立しながら得ることができたという。

 次にこの成果を活用し、太陽電池で用いたCuGaSe2薄膜を今度は光電気化学セルの光電極として構成。CuGaSe2製膜終了直前にアルカリ金属ハロゲン化物を供給する手法で作製した光電極を用いることで、8%を超える高いHC-STH効率が得られた。また、薄膜表面のCu欠乏層の厚さ制御による界面改質を行った光電極を用いることで、0.9Vを超える大きなオンセットポテンシャル(光応答反応の駆動力を示す指標)も得られた。

 これまで、ワイドギャップCIS系材料CuGaSe2薄膜を光電極とした水分解水素生成におけるHC-STH効率は、1%程度にとどまる報告が通例であり、8%を超える数値は世界最高水準の成果だという。

3 アルカリ添加およびCu欠乏層制御による界面改質CuGaSe2光電極の水分解水素生成性能。HC-STH効率は8%を上回り、0.9 Vを上回るオンセットポテンシャルも得られた。右上図はHC-STH効率導出に用いた断続光下測定電流密度−ポテンシャルプロット 出典:産総研

 産総研では今後、界面改質だけでなく、ワイドギャップCIS系薄膜のバルク特性改善にも取り組み、太陽電池と光電気化学セルそれぞれにおいて、さらなる性能向上を図る方針。タンデム型太陽電池用途としてはさらなる開放電圧や曲線因子の向上による高効率化を、また光電気化学セルでは、BiVO4などの光電極(アノード)との組み合わせによる、外部電源供給を必要としない水分解水素生成デバイス、さらにCO2還元デバイスなどへの応用も目指すとしている。

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