日本產業技術綜合研究所（簡稱產綜研）與甲南大學的研究團隊開發出了一種利用太陽光高效發電和製造氫氣的薄膜材料。有望以低成本生產出輕便、柔軟的高性能太陽能電池以及便於儲存和運輸而廣受期待的新能源——氫氣。研究團隊將透過與企業合作推動這項技術的實用化。
產綜研和甲南大學共同開發的CIS類薄膜材料（供圖:日本產業技術綜合研究所）
此次開發的時由銅（Cu）、銦（In）、硒（Se）等元素構成的CIS太陽能電池用薄膜材料。爲了提高作爲太陽能電池的性能，對製造工藝進行改進時，還提高了利用太陽能分解水，生產氫氣的電極材料的性能。
CIS類太陽能電池具有輕便、柔軟的特性，在成膜程序中加入鉀等鹼性金屬可提高其性能。然而，這種方法對多疊層太陽能電池吸收波長較短光線的「寬間隙」CIS類薄膜無效。
對此，研究團隊嘗試使用了寬填隙化合物中的一種：銅鎵二硒（CuGaSe2），並嘗試改變了在成膜程序中添加鹼性金屬的方法——不是像過去那樣在成膜後添加鹼性金屬，而是在成膜即將結束之前與鎵和硒同時添加鹼性金屬。
結果顯示，由太陽光產生的電洞（又稱電洞）在被作爲電能取出之前被缺陷困住並消滅的現象得到了抑制。因此，轉化效率提高到11%，爲目前銅鎵二硒(CuGaSe2)薄膜太陽能電池的世界最高水平，同時還改善了開路電壓的性能指數。
接下來，研究團隊使用相同的銅鎵二硒(CuGaSe2)薄膜，製造出用發光能量將水分解生成氫氣的 「光電極」。光電極是一種吸收發光能量產生載流子（電子和電洞）的電極，將其浸進水中後，它能分解水產生氫氣。有望成爲一種以低成本生產氫氣的方法。
當使用製作的光電極對水進行分解時，太陽發光能量以約爲8%的效率轉化爲氫氣，效率。這與用轉化效率30～40%的太陽能電池發電並用該電力再對水進行電解具有同等效率。此前，大多數使用銅鎵二硒(CuGaSe2)薄膜的光電極效率只有1%左右。
將開發的技術應用到了利用太陽能分解水產生氫氣的電極上（供圖:日本產業技術綜合研究所）
爲了普及太陽能和風能等再生能源，儲存和運送這些能源的手段成爲關鍵因素。其中，受到高度期待的就是氫氣。與以電力形式存儲能源的蓄電池相比，氫氣的優勢在於更輕，更便於運輸。
此次開發的技術或許爲發電和蓄能兩個領域帶來創新。日本產業技術綜合研究所節能研究部門首席研究員石塚尚吾表示：「我們希望與企業開展廣泛合作，以確立靈活利用再生能源和低成本氫氣的新技術。」
日文：松元則雄、《日經產業新聞》、2022年9月5日
中文：JST客觀日本編輯部
