日本产业技术综合研究所（简称产综研）与甲南大学的研究团队开发出了一种利用太阳光高效发电和制造氢气的薄膜材料。有望以低成本生产出轻便、柔软的高性能太阳能电池以及便于储存和运输而广受期待的新能源——氢气。研究团队将通过与企业合作推动这项技术的实用化。
产综研和甲南大学共同开发的CIS类薄膜材料（供图:日本产业技术综合研究所）
此次开发的时由铜（Cu）、铟（In）、硒（Se）等元素构成的CIS太阳能电池用薄膜材料。为了提高作为太阳能电池的性能，对制造工艺进行改进时，还提高了利用太阳能分解水，生产氢气的电极材料的性能。
CIS类太阳能电池具有轻便、柔软的特性，在成膜过程中加入钾等碱性金属可提高其性能。然而，这种方法对多叠层太阳能电池吸收波长较短光线的“宽间隙”CIS类薄膜无效。
对此，研究团队尝试使用了宽间隙化合物中的一种：铜镓二硒（CuGaSe2），并尝试改变了在成膜过程中添加碱性金属的方法——不是像过去那样在成膜后添加碱性金属，而是在成膜即将结束之前与镓和硒同时添加碱性金属。
结果显示，由太阳光产生的空穴（又称电洞）在被作为电能取出之前被缺陷困住并湮灭的现象得到了抑制。因此，转换效率提高到11%，为目前铜镓二硒(CuGaSe2)薄膜太阳能电池的世界最高水平，同时还改善了开路电压的性能指标。
接下来，研究团队使用相同的铜镓二硒(CuGaSe2)薄膜，制造出用光能将水分解生成氢气的 “光电极”。光电极是一种吸收光能产生载流子（电子和空穴）的电极，将其浸入水中后，它能分解水产生氢气。有望成为一种以低成本生产氢气的方法。
当使用制作的光电极对水进行分解时，太阳光能以约为8%的效率转化为氢气，效率。这与用转换效率30～40%的太阳能电池发电并用该电力再对水进行电解具有同等效率。此前，大多数使用铜镓二硒(CuGaSe2)薄膜的光电极效率只有1%左右。
将开发的技术应用到了利用太阳能分解水产生氢气的电极上（供图:日本产业技术综合研究所）
为了普及太阳能和风能等可再生能源，储存和输送这些能源的手段成为关键因素。其中，受到高度期待的就是氢气。与以电力形式存储能源的蓄电池相比，氢气的优势在于更轻，更便于运输。
此次开发的技术或许为发电和蓄能两个领域带来创新。日本产业技术综合研究所节能研究部门首席研究员石塚尚吾表示：“我们希望与企业开展广泛合作，以确立灵活利用可再生能源和低成本氢气的新技术。”
日文：松元则雄、《日经产业新闻》、2022年9月5日
中文：JST客观日本编辑部
