珊瑚礁死亡、森林火災……
氣候變化帶來的負面影響愈演愈烈。
我們必須實現溫室氣體淨零排放的目标。充分利用(yòng)可(kě)再生(shēng)能(néng)源便是最有效的解決方案之一。但是，太陽能(néng)發(fā／fà)電和風力發(fā／fà)電受自(zì)然條件影響大、發(fā／fà)電量不穩定一直是亟待解決的問題。
2021年(nián)年(nián)底，東芝将兩種材料的太陽能(néng)電池組合，制作出 “串聯型太陽能(néng)電池”，同時實現了低成本和高發(fā／fà)電效率。
這背後(hòu)有着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)怎樣的故事(shì)呢？讓我們一起來了解一下(xià)。
其(qí)實，很多電池并未充分利用(yòng)太陽能(néng)！？
太陽能(néng)電池由兩種半導體（即：n型半導體和p型半導體）粘合而(ér)成，兩種半導體之間使用(yòng)通電導線連接。當太陽光照射到太陽能(néng)電池闆時，n型半導體聚集負電荷（電子），p型半導體聚集正電荷，而(ér)當負電荷的電子流經導線時，電力便産生(shēng)了。LED（發(fā／fà)光二極管）就(jiù)是利用(yòng)這種逆向發(fā／fà)電原理。
太陽能(néng)電池發(fā／fà)電的工作原理
不同材料決定了不同的發(fā／fà)電效率，也決定了太陽光用(yòng)于(yú)發(fā／fà)電的波長範圍。
傳統半導體采用(yòng)矽材料制成。雖然矽材料在成本方面具有優勢，但發(fā／fà)電效率目前僅爲15%～25%左右，按照現在的技術開發(fā／fà)程度，已經接近于(yú)理論上的最高效率。這意味着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)，如(rú)果隻使用(yòng)一種材料，想提高太陽能(néng)電池發(fā／fà)電效率是存在壁壘的。換言之，爲了充分利用(yòng)太陽能(néng)，需要(yào / yāo)将不同材料組合在一起二次發(fā／fà)電，将不同波長的光能(néng)轉化爲電能(néng)——“串聯型太陽能(néng)電池”由此應運而(ér)生(shēng)。
“研發(fā／fà)工作需要(yào / yāo)精确實驗條件，大多數人都會(huì)在無意中放棄”，而(ér)憑借大師級的技術卻能(néng)輕松突破難關！
将兩個可(kě)發(fā／fà)電且 “光波長範圍”不同的半導體組合在一起，通過(guò)二次發(fā／fà)電的方法可(kě)以提高單位面積的發(fā／fà)電量。
東芝研究開發(fā／fà)中心的山本和重和其(qí)所(suǒ)在團隊約10年(nián)前開始引領串聯型太陽能(néng)電池開發(fā／fà)。一開始他們選擇将CIGS類材料（銅铟镓硒）與矽材料結合展開研究，，但開發(fā／fà)之路并不平坦。在經曆了科研瓶頸、研究員銳減後(hòu)，團隊士氣大減。在一位團隊成員的建議下(xià)
株式會(huì)社東芝 研究開發(fā／fà)中心 納米材料前沿研究所(suǒ) 換能(néng)器技術實驗室 研究員 山本和重
山本開始重新探索Cu₂O（氧化亞銅），這個一度放棄的材料。“當時研究用(yòng)的Cu₂O是一種近1毫米厚的材料。從常識角度考慮，将其(qí)制作成适用(yòng)于(yú)太陽能(néng)電池的薄膜，幾乎是不可(kě)能(néng)實現的。”
于(yú)是，山本向研究開發(fā／fà)中心超導體研究領域的銅氧化物制造“大神”山崎六月求助。
2～3個月後(hòu)，當山崎遞給山本一張淡橙色的透明薄膜時，山本和重不禁贊歎道：“這也太棒了！”。
爲将Cu₂O材料制作成幾微米厚的薄膜，制作Cu₂O透明薄膜的條件範圍非常小，必須對(duì)成膜過(guò)程的溫度、氧氣流量等繁多的條件進行(háng / xíng)逐一調整，這需要(yào / yāo)大師級的技術和高度的專注力。
收納于(yú)黑色框架内的世界首個透射型Cu₂O太陽能(néng)電池單體（淡橙色部分）
大學的研究室也發(fā／fà)出驚歎之聲，充分利用(yòng)太陽能(néng)的電池誕生(shēng)了！
山本立即與負責物性分析工作的芝崎聰一郎一起開始對(duì)收到的Cu₂O薄膜進行(háng / xíng)分析和評估并很快發(fā／fà)現了可(kě)以投入使用(yòng)的方案。
株式會(huì)社東芝 研究開發(fā／fà)中心 納米材料前沿研究所(suǒ) 換能(néng)器技術實驗室 專家(jiā) 芝崎聰一郎
“矽材料使用(yòng)長波長的太陽光（600～1100nm）發(fā／fà)電，Cu₂O材料使用(yòng)短波長的太陽光（300～600nm）發(fā／fà)電，并且因爲它是透明的，長波長的太陽光也可(kě)以透過(guò)。換言之，這兩種材料發(fā／fà)電所(suǒ)需的太陽光波長範圍不相重疊，因此，在矽材料上面疊加Cu₂O材料，就(jiù)可(kě)以創造出一種理想的電池，充分利用(yòng)從短波到長波的太陽光的能(néng)量。
并且，Cu₂O的主要(yào / yāo)材料銅價格低廉，易于(yú)開采，和其(qí)他化合物相比，毒性和環境負荷小，對(duì)地球更友好。
低成本、高效率的Cu₂O/Si（矽）串聯型太陽能(néng)電池
可(kě)以毫無遺漏地充分利用(yòng)太陽光的能(néng)量
株式會(huì)社東芝 研究開發(fā／fà)中心 納米材料前沿研究所(suǒ) 換能(néng)器技術實驗室
山崎六月
前進的腳步從未停歇。挑戰Cu₂O成膜工藝的标準化課題，探索n層材料！
以量産化爲目标的的準備工作正在進行(háng / xíng)中，目标是串聯型電池的發(fā／fà)電效率達到30%，其(qí)中Cu₂O電池單體的發(fā／fà)電效率要(yào / yāo)達到10%。爲實現這些目标，急需要(yào / yāo)解決的課題之一就(jiù)是Cu₂O成膜工藝的标準化。除了向山崎拜師學藝外，爲實現機械化量産，需要(yào / yāo)調整100多個參數，可(kě)謂任重而(ér)道遠。
除了對(duì)p層（即Cu₂O層）的探索 ，對(duì)n層的進一步改善也未曾松懈。
p層無論采用(yòng)多高質量的Cu₂O材料制作，如(rú)果n層存在問題，就(jiù)會(huì)導緻接合部分的能(néng)量不匹配，發(fā／fà)電效率就(jiù)會(huì)急劇下(xià)降。
因此，在改進Cu₂O薄膜的同時，團隊的全體成員查閱了大量的文獻資料，并通過(guò)各種各樣的模拟實驗，進行(háng / xíng)反複考察。
實現高效率8.4%，推進串聯型太陽能(néng)電池的實用(yòng)化開發(fā／fà)工作！
研發(fā／fà)工作仍在馬不停蹄地開展着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)。Cu₂O的發(fā／fà)電效率已從最初的2% 達到2021年(nián)的8.4%。此外，模拟技術顯示，這種Cu₂O與矽材料結合的串聯型太陽能(néng)電池的發(fā／fà)電效率（估算值）可(kě)達到27.4%，具有超過(guò)矽單體世界最高效率26.7%的潛力。這項數據爲低成本、高效率的串聯型太陽能(néng)電池的實用(yòng)化提供了有力支持。
但是Cu₂O單體的發(fā／fà)電效率還未達到最初目标（即：10%），東芝将繼續完善和确立相關工藝技術，以便早日将電池投入社會(huì)使用(yòng)。
Cu₂O和矽材料的串聯型太陽能(néng)電池的量産化及社會(huì)實際應用(yòng)方面的課題有哪些？下(xià)篇将揭曉東芝的技術路線圖和戰略。
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