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，太陽能發電和風力發電受自然條件影響大、發電量不穩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 “串聯型太陽能電池”，同時實現了低成本和高發電效率。

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連接。當太陽光照射到太陽能電池板時，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導線時，電力便產生了。LED（發光二極管）就是利用這種逆向發電原理。

太陽能電池發電的工作原理

不同材料決定了不同的發電效率，也決定了太陽光用于發電的波長范圍。

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勢，但發電效率目前僅為15%～25%左右，按照現在的技術開發程度，已經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電，將不同波長的光能轉化為電能——“串聯型太陽能電池”由此應運而生。

“研發工作需要精確實驗條件，大多數人都會在無意中放棄”，而憑借大師級的技術卻能輕松突破難關！

將兩個可發電且 “光波長范圍”不同的半導體組合在一起，通過二次發電的方法可以提高單位面積的發電量。

東芝研究開發中心的山本和重和其所在團隊約10年前開始引領串聯型太陽能電池開發。一開始他們選擇將CIGS類材料（銅銦鎵硒）與硅材料結合展開研究，，但開發之路并不平坦。在經歷了科研瓶頸、研究員銳減后，團隊士氣大減。在一位團隊成員的建議下

株式會社東芝 研究開發中心 納米材料前沿研究所 換能器技術實驗室 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，幾乎是不可能實現的。”

于是，山本向研究開發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個月后，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行逐一調整，這需要大師級的技術和高度的專注力。

收納于黑色框架內的世界首個透射型Cu?O太陽能電池單體（淡橙色部分）

大學的研究室也發出驚嘆之聲，充分利用太陽能的電池誕生了！

山本立即與負責物性分析工作的芝崎聰一郎一起開始對收到的Cu?O薄膜進行分析和評估并很快發現了可以投入使用的方案。

株式會社東芝 研究開發中心 納米材料前沿研究所 換能器技術實驗室 專家 芝崎聰一郎

“硅材料使用長波長的太陽光（600～1100nm）發電，Cu?O材料使用短波長的太陽光（300～600nm）發電，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，毒性和環境負荷小，對地球更友好。

低成本、高效率的Cu?O/Si（硅）串聯型太陽能電池
可以毫無遺漏地充分利用太陽光的能量

株式會社東芝 研究開發中心 納米材料前沿研究所 換能器技術實驗室
山崎六月

前進的腳步從未停歇。挑戰Cu?O成膜工藝的標準化課題，探索n層材料！

以量產化為目標的的準備工作正在進行中，目標是串聯型電池的發電效率達到30%，其中Cu?O電池單體的發電效率要達到10%。為實現這些目標，急需要解決的課題之一就是Cu?O成膜工藝的標準化。除了向山崎拜師學藝外，為實現機械化量產，需要調整100多個參數，可謂任重而道遠。

除了對p層（即Cu?O層）的探索 ，對n層的進一步改善也未曾松懈。

p層無論采用多高質量的Cu?O材料制作，如果n層存在問題，就會導致接合部分的能量不匹配，發電效率就會急劇下降。

因此，在改進Cu?O薄膜的同時，團隊的全體成員查閱了大量的文獻資料，并通過各種各樣的模擬實驗，進行反復考察。

實現高效率8.4%，推進串聯型太陽能電池的實用化開發工作！

研發工作仍在馬不停蹄地開展著。Cu?O的發電效率已從最初的2% 達到2021年的8.4%。此外，模擬技術顯示，這種Cu?O與硅材料結合的串聯型太陽能電池的發電效率（估算值）可達到27.4%，具有超過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工藝技術，以便早日將電池投入社會使用。

Cu?O和硅材料的串聯型太陽能電池的量產化及社會實際應用方面的課題有哪些？下篇將揭曉東芝的技術路線圖和戰略。

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