珊瑚礁死亡、森林火灾……
气候变化带来的负面影响愈演愈烈。
我们必须实现温室气体净零排放的目标。充分利用可再生能源便是最有效的解决方案之一。但是，太阳能发电和风力发电受自然条件影响大、发电量不稳定一直是亟待解决的问题。
2021年年底，东芝将两种材料的太阳能电池组合，制作出 “串联型太阳能电池”，同时实现了低成本和高发电效率。
这背后有着怎样的故事呢？让我们一起来了解一下。
其实，很多电池并未充分利用太阳能！？
太阳能电池由两种半导体（即：n型半导体和p型半导体）粘合而成，两种半导体之间使用通电导线连接。当太阳光照射到太阳能电池板时，n型半导体聚集负电荷（电子），p型半导体聚集正电荷，而当负电荷的电子流经导线时，电力便产生了。LED（发光二极管）就是利用这种逆向发电原理。
太阳能电池发电的工作原理
不同材料决定了不同的发电效率，也决定了太阳光用于发电的波长范围。
传统半导体采用硅材料制成。虽然硅材料在成本方面具有优势，但发电效率目前仅为15%～25%左右，按照现在的技术开发程度，已经接近于理论上的最高效率。这意味着，如果只使用一种材料，想提高太阳能电池发电效率是存在壁垒的。换言之，为了充分利用太阳能，需要将不同材料组合在一起二次发电，将不同波长的光能转化为电能——“串联型太阳能电池”由此应运而生。
“研发工作需要精确实验条件，大多数人都会在无意中放弃”，而凭借大师级的技术却能轻松突破难关！
将两个可发电且 “光波长范围”不同的半导体组合在一起，通过二次发电的方法可以提高单位面积的发电量。
东芝研究开发中心的山本和重和其所在团队约10年前开始引领串联型太阳能电池开发。一开始他们选择将CIGS类材料（铜铟镓硒）与硅材料结合展开研究，，但开发之路并不平坦。在经历了科研瓶颈、研究员锐减后，团队士气大减。在一位团队成员的建议下
株式会社东芝 研究开发中心 纳米材料前沿研究所 换能器技术实验室 研究员 山本和重
山本开始重新探索Cu₂O（氧化亚铜），这个一度放弃的材料。“当时研究用的Cu₂O是一种近1毫米厚的材料。从常识角度考虑，将其制作成适用于太阳能电池的薄膜，几乎是不可能实现的。”
于是，山本向研究开发中心超导体研究领域的铜氧化物制造“大神”山崎六月求助。
2～3个月后，当山崎递给山本一张淡橙色的透明薄膜时，山本和重不禁赞叹道：“这也太棒了！”。
为将Cu₂O材料制作成几微米厚的薄膜，制作Cu₂O透明薄膜的条件范围非常小，必须对成膜过程的温度、氧气流量等繁多的条件进行逐一调整，这需要大师级的技术和高度的专注力。
收纳于黑色框架内的世界首个透射型Cu₂O太阳能电池单体（淡橙色部分）
大学的研究室也发出惊叹之声，充分利用太阳能的电池诞生了！
山本立即与负责物性分析工作的芝崎聪一郎一起开始对收到的Cu₂O薄膜进行分析和评估并很快发现了可以投入使用的方案。
株式会社东芝 研究开发中心 纳米材料前沿研究所 换能器技术实验室 专家 芝崎聪一郎
“硅材料使用长波长的太阳光（600～1100nm）发电，Cu₂O材料使用短波长的太阳光（300～600nm）发电，并且因为它是透明的，长波长的太阳光也可以透过。换言之，这两种材料发电所需的太阳光波长范围不相重叠，因此，在硅材料上面叠加Cu₂O材料，就可以创造出一种理想的电池，充分利用从短波到长波的太阳光的能量。
并且，Cu₂O的主要材料铜价格低廉，易于开采，和其他化合物相比，毒性和环境负荷小，对地球更友好。
低成本、高效率的Cu₂O/Si（硅）串联型太阳能电池
可以毫无遗漏地充分利用太阳光的能量
株式会社东芝 研究开发中心 纳米材料前沿研究所 换能器技术实验室
山崎六月
前进的脚步从未停歇。挑战Cu₂O成膜工艺的标准化课题，探索n层材料！
以量产化为目标的的准备工作正在进行中，目标是串联型电池的发电效率达到30%，其中Cu₂O电池单体的发电效率要达到10%。为实现这些目标，急需要解决的课题之一就是Cu₂O成膜工艺的标准化。除了向山崎拜师学艺外，为实现机械化量产，需要调整100多个参数，可谓任重而道远。
除了对p层（即Cu₂O层）的探索 ，对n层的进一步改善也未曾松懈。
p层无论采用多高质量的Cu₂O材料制作，如果n层存在问题，就会导致接合部分的能量不匹配，发电效率就会急剧下降。
因此，在改进Cu₂O薄膜的同时，团队的全体成员查阅了大量的文献资料，并通过各种各样的模拟实验，进行反复考察。
实现高效率8.4%，推进串联型太阳能电池的实用化开发工作！
研发工作仍在马不停蹄地开展着。Cu₂O的发电效率已从最初的2% 达到2021年的8.4%。此外，模拟技术显示，这种Cu₂O与硅材料结合的串联型太阳能电池的发电效率（估算值）可达到27.4%，具有超过硅单体世界最高效率26.7%的潜力。这项数据为低成本、高效率的串联型太阳能电池的实用化提供了有力支持。
但是Cu₂O单体的发电效率还未达到最初目标（即：10%），东芝将继续完善和确立相关工艺技术，以便早日将电池投入社会使用。
Cu₂O和硅材料的串联型太阳能电池的量产化及社会实际应用方面的课题有哪些？下篇将揭晓东芝的技术路线图和战略。
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