珊瑚礁死亡、森林火災(zāi)……
氣候變化帶來的負(fù)面影響愈演愈烈。
我們必須實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的目標(biāo)。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(wěn)定一直是亟待解決的問題。
2021年年底，東芝將兩種材料的太陽能電池組合，制作出 “串聯(lián)型太陽能電池”，同時實現(xiàn)了低成本和高發(fā)電效率。
這背后有著怎樣的故事呢？讓我們一起來了解一下。
其實，很多電池并未充分利用太陽能??？
太陽能電池由兩種半導(dǎo)體（即：n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體）粘合而成，兩種半導(dǎo)體之間使用通電導(dǎo)線連接。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池板時，n型半導(dǎo)體聚集負(fù)電荷（電子），p型半導(dǎo)體聚集正電荷，而當(dāng)負(fù)電荷的電子流經(jīng)導(dǎo)線時，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，也決定了太陽光用于發(fā)電的波長范圍。
傳統(tǒng)半導(dǎo)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(xiàn)在的技術(shù)開發(fā)程度，已經(jīng)接近于理論上的最高效率。這意味著，如果只使用一種材料，想提高太陽能電池發(fā)電效率是存在壁壘的。換言之，為了充分利用太陽能，需要將不同材料組合在一起二次發(fā)電，將不同波長的光能轉(zhuǎn)化為電能——“串聯(lián)型太陽能電池”由此應(yīng)運而生。
“研發(fā)工作需要精確實驗條件，大多數(shù)人都會在無意中放棄”，而憑借大師級的技術(shù)卻能輕松突破難關(guān)！
將兩個可發(fā)電且 “光波長范圍”不同的半導(dǎo)體組合在一起，通過二次發(fā)電的方法可以提高單位面積的發(fā)電量。
東芝研究開發(fā)中心的山本和重和其所在團(tuán)隊約10年前開始引領(lǐng)串聯(lián)型太陽能電池開發(fā)。一開始他們選擇將CIGS類材料（銅銦鎵硒）與硅材料結(jié)合展開研究，，但開發(fā)之路并不平坦。在經(jīng)歷了科研瓶頸、研究員銳減后，團(tuán)隊士氣大減。在一位團(tuán)隊成員的建議下
株式會社東芝 研究開發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實驗室 研究員 山本和重
山本開始重新探索Cu?O（氧化亞銅），這個一度放棄的材料。“當(dāng)時研究用的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能電池的薄膜，幾乎是不可能實現(xiàn)的?！?/strong>
于是，山本向研究開發(fā)中心超導(dǎo)體研究領(lǐng)域的銅氧化物制造“大神”山崎六月求助。
2～3個月后，當(dāng)山崎遞給山本一張淡橙色的透明薄膜時，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，必須對成膜過程的溫度、氧氣流量等繁多的條件進(jìn)行逐一調(diào)整，這需要大師級的技術(shù)和高度的專注力。
收納于黑色框架內(nèi)的世界首個透射型Cu?O太陽能電池單體（淡橙色部分）
大學(xué)的研究室也發(fā)出驚嘆之聲，充分利用太陽能的電池誕生了！
山本立即與負(fù)責(zé)物性分析工作的芝崎聰一郎一起開始對收到的Cu?O薄膜進(jìn)行分析和評估并很快發(fā)現(xiàn)了可以投入使用的方案。
株式會社東芝 研究開發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實驗室 專家 芝崎聰一郎
“硅材料使用長波長的太陽光（600～1100nm）發(fā)電，Cu?O材料使用短波長的太陽光（300～600nm）發(fā)電，并且因為它是透明的，長波長的太陽光也可以透過。換言之，這兩種材料發(fā)電所需的太陽光波長范圍不相重疊，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波的太陽光的能量。
并且，Cu?O的主要材料銅價格低廉，易于開采，和其他化合物相比，毒性和環(huán)境負(fù)荷小，對地球更友好。
低成本、高效率的Cu?O/Si（硅）串聯(lián)型太陽能電池
可以毫無遺漏地充分利用太陽光的能量
株式會社東芝 研究開發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實驗室
山崎六月
前進(jìn)的腳步從未停歇。挑戰(zhàn)Cu?O成膜工藝的標(biāo)準(zhǔn)化課題，探索n層材料！
以量產(chǎn)化為目標(biāo)的的準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行中，目標(biāo)是串聯(lián)型電池的發(fā)電效率達(dá)到30%，其中Cu?O電池單體的發(fā)電效率要達(dá)到10%。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，急需要解決的課題之一就是Cu?O成膜工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。除了向山崎拜師學(xué)藝外，為實現(xiàn)機(jī)械化量產(chǎn)，需要調(diào)整100多個參數(shù)，可謂任重而道遠(yuǎn)。
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層無論采用多高質(zhì)量的Cu?O材料制作，如果n層存在問題，就會導(dǎo)致接合部分的能量不匹配，發(fā)電效率就會急劇下降。
因此，在改進(jìn)Cu?O薄膜的同時，團(tuán)隊的全體成員查閱了大量的文獻(xiàn)資料，并通過各種各樣的模擬實驗，進(jìn)行反復(fù)考察。
實現(xiàn)高效率8.4%，推進(jìn)串聯(lián)型太陽能電池的實用化開發(fā)工作！
研發(fā)工作仍在馬不停蹄地開展著。Cu?O的發(fā)電效率已從最初的2% 達(dá)到2021年的8.4%。此外，模擬技術(shù)顯示，這種Cu?O與硅材料結(jié)合的串聯(lián)型太陽能電池的發(fā)電效率（估算值）可達(dá)到27.4%，具有超過硅單體世界最高效率26.7%的潛力。這項數(shù)據(jù)為低成本、高效率的串聯(lián)型太陽能電池的實用化提供了有力支持。
但是Cu?O單體的發(fā)電效率還未達(dá)到最初目標(biāo)（即：10%），東芝將繼續(xù)完善和確立相關(guān)工藝技術(shù)，以便早日將電池投入社會使用。
Cu?O和硅材料的串聯(lián)型太陽能電池的量產(chǎn)化及社會實際應(yīng)用方面的課題有哪些？下篇將揭曉東芝的技術(shù)路線圖和戰(zhàn)略。
本文章節(jié)選自下述頁面文章，點擊可以閱讀完整版。（英文）
Corporate Research & Development Center | Toshiba (global.toshiba)
如有問題，請點擊下述咨詢頁面。（英文）
滬公網(wǎng)安備 31010102002443號