珊瑚礁死亡、森林火災……
氣候變化帶來(lái)的負面影響愈演愈烈。
我們必須實(shí)現溫室氣體凈零排放的目標。充分利用可再生能源便是最有效的解決方案之一。但是，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受自然條件影響大、發(fā)電量不穩定一直是亟待解決的問(wèn)題。
2021年年底，東芝將兩種材料的太陽(yáng)能電池組合，制作出 “串聯(lián)型太陽(yáng)能電池”，同時(shí)實(shí)現了低成本和高發(fā)電效率。
這背后有著(zhù)怎樣的故事呢？讓我們一起來(lái)了解一下。
其實(shí)，很多電池并未充分利用太陽(yáng)能??？
太陽(yáng)能電池由兩種半導體（即：n型半導體和p型半導體）粘合而成，兩種半導體之間使用通電導線(xiàn)連接。當太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池板時(shí)，n型半導體聚集負電荷（電子），p型半導體聚集正電荷，而當負電荷的電子流經(jīng)導線(xiàn)時(shí)，電力便產(chǎn)生了。LED（發(fā)光二極管）就是利用這種逆向發(fā)電原理。
太陽(yáng)能電池發(fā)電的工作原理
不同材料決定了不同的發(fā)電效率，也決定了太陽(yáng)光用于發(fā)電的波長(cháng)范圍。
傳統半導體采用硅材料制成。雖然硅材料在成本方面具有優(yōu)勢，但發(fā)電效率目前僅為15%～25%左右，按照現在的技術(shù)開(kāi)發(fā)程度，已經(jīng)接近于理論上的最高效率。這意味著(zhù)，如果只使用一種材料，想提高太陽(yáng)能電池發(fā)電效率是存在壁壘的。換言之，為了充分利用太陽(yáng)能，需要將不同材料組合在一起二次發(fā)電，將不同波長(cháng)的光能轉化為電能——“串聯(lián)型太陽(yáng)能電池”由此應運而生。
“研發(fā)工作需要精確實(shí)驗條件，大多數人都會(huì )在無(wú)意中放棄”，而憑借大師級的技術(shù)卻能輕松突破難關(guān)！
將兩個(gè)可發(fā)電且 “光波長(cháng)范圍”不同的半導體組合在一起，通過(guò)二次發(fā)電的方法可以提高單位面積的發(fā)電量。
東芝研究開(kāi)發(fā)中心的山本和重和其所在團隊約10年前開(kāi)始引領(lǐng)串聯(lián)型太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)。一開(kāi)始他們選擇將CIGS類(lèi)材料（銅銦鎵硒）與硅材料結合展開(kāi)研究，，但開(kāi)發(fā)之路并不平坦。在經(jīng)歷了科研瓶頸、研究員銳減后，團隊士氣大減。在一位團隊成員的建議下
株式會(huì )社東芝 研究開(kāi)發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實(shí)驗室 研究員 山本和重
山本開(kāi)始重新探索Cu?O（氧化亞銅），這個(gè)一度放棄的材料?！爱敃r(shí)研究用的Cu?O是一種近1毫米厚的材料。從常識角度考慮，將其制作成適用于太陽(yáng)能電池的薄膜，幾乎是不可能實(shí)現的?！?/strong>
于是，山本向研究開(kāi)發(fā)中心超導體研究領(lǐng)域的銅氧化物制造“大神”山崎六月求助。
2～3個(gè)月后，當山崎遞給山本一張淡橙色的透明薄膜時(shí)，山本和重不禁贊嘆道：“這也太棒了！”。
為將Cu?O材料制作成幾微米厚的薄膜，制作Cu?O透明薄膜的條件范圍非常小，必須對成膜過(guò)程的溫度、氧氣流量等繁多的條件進(jìn)行逐一調整，這需要大師級的技術(shù)和高度的專(zhuān)注力。
收納于黑色框架內的世界首個(gè)透射型Cu?O太陽(yáng)能電池單體（淡橙色部分）
大學(xué)的研究室也發(fā)出驚嘆之聲，充分利用太陽(yáng)能的電池誕生了！
山本立即與負責物性分析工作的芝崎聰一郎一起開(kāi)始對收到的Cu?O薄膜進(jìn)行分析和評估并很快發(fā)現了可以投入使用的方案。
株式會(huì )社東芝 研究開(kāi)發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實(shí)驗室 專(zhuān)家 芝崎聰一郎
“硅材料使用長(cháng)波長(cháng)的太陽(yáng)光（600～1100nm）發(fā)電，Cu?O材料使用短波長(cháng)的太陽(yáng)光（300～600nm）發(fā)電，并且因為它是透明的，長(cháng)波長(cháng)的太陽(yáng)光也可以透過(guò)。換言之，這兩種材料發(fā)電所需的太陽(yáng)光波長(cháng)范圍不相重疊，因此，在硅材料上面疊加Cu?O材料，就可以創(chuàng )造出一種理想的電池，充分利用從短波到長(cháng)波的太陽(yáng)光的能量。
并且，Cu?O的主要材料銅價(jià)格低廉，易于開(kāi)采，和其他化合物相比，毒性和環(huán)境負荷小，對地球更友好。
低成本、高效率的Cu?O/Si（硅）串聯(lián)型太陽(yáng)能電池
可以毫無(wú)遺漏地充分利用太陽(yáng)光的能量
株式會(huì )社東芝 研究開(kāi)發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實(shí)驗室
山崎六月
前進(jìn)的腳步從未停歇。挑戰Cu?O成膜工藝的標準化課題，探索n層材料！
以量產(chǎn)化為目標的的準備工作正在進(jìn)行中，目標是串聯(lián)型電池的發(fā)電效率達到30%，其中Cu?O電池單體的發(fā)電效率要達到10%。為實(shí)現這些目標，急需要解決的課題之一就是Cu?O成膜工藝的標準化。除了向山崎拜師學(xué)藝外，為實(shí)現機械化量產(chǎn)，需要調整100多個(gè)參數，可謂任重而道遠。
除了對p層（即Cu?O層）的探索 ，對n層的進(jìn)一步改善也未曾松懈。
p層無(wú)論采用多高質(zhì)量的Cu?O材料制作，如果n層存在問(wèn)題，就會(huì )導致接合部分的能量不匹配，發(fā)電效率就會(huì )急劇下降。
因此，在改進(jìn)Cu?O薄膜的同時(shí)，團隊的全體成員查閱了大量的文獻資料，并通過(guò)各種各樣的模擬實(shí)驗，進(jìn)行反復考察。
實(shí)現高效率8.4%，推進(jìn)串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的實(shí)用化開(kāi)發(fā)工作！
研發(fā)工作仍在馬不停蹄地開(kāi)展著(zhù)。Cu?O的發(fā)電效率已從最初的2% 達到2021年的8.4%。此外，模擬技術(shù)顯示，這種Cu?O與硅材料結合的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率（估算值）可達到27.4%，具有超過(guò)硅單體世界最高效率26.7%的潛力。這項數據為低成本、高效率的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的實(shí)用化提供了有力支持。
但是Cu?O單體的發(fā)電效率還未達到最初目標（即：10%），東芝將繼續完善和確立相關(guān)工藝技術(shù)，以便早日將電池投入社會(huì )使用。
Cu?O和硅材料的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)化及社會(huì )實(shí)際應用方面的課題有哪些？下篇將揭曉東芝的技術(shù)路線(xiàn)圖和戰略。
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