東芝開(kāi)發(fā)新型串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，同時(shí)實(shí)現低成本和高效率，可應用于免充電型電動(dòng)汽車(chē)。該款Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，預計整體發(fā)電效率將達27.4%，如果為電動(dòng)汽車(chē)安裝這款太陽(yáng)能電池，預計每天免充電續航里程約為35km*1。
開(kāi)發(fā)背景
為實(shí)現碳中和社會(huì )這一目標，世界各國正在大力推進(jìn)可再生能源事業(yè)，特別是汽車(chē)和電車(chē)等移動(dòng)交通工具。
典型的高效率電池是由砷化鎵半導體（GaAs）等III-V族太陽(yáng)能電池*2疊加而成的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，其發(fā)電效率超過(guò)30%，高于Si太陽(yáng)能電池，但制造成本比Si太陽(yáng)能電池高出數百倍至數千倍。
而透射型Cu2O太陽(yáng)能電池的主要原材料和制造設備價(jià)格低廉，預計生產(chǎn)成本將會(huì )大幅降低。透射型Cu2O太陽(yáng)能電池通過(guò)吸收短波光進(jìn)行發(fā)電，并且可以透射長(cháng)波光，而Si太陽(yáng)能電池作為底電池，通過(guò)吸收長(cháng)波光進(jìn)行發(fā)電。采用這種方式后，無(wú)論長(cháng)短波長(cháng)的光都可以被轉化為電能。
圖1 Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池示意圖
本技術(shù)優(yōu)勢
由于Cu2O具有半導體晶體屬性，其晶體中很容易產(chǎn)生氧化銅（CuO）和銅（Cu）等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì )降低發(fā)電效率和透光率。東芝采用X射線(xiàn)衍射法*3直接檢測出Cu2O發(fā)電層中所含的極少量CuO和Cu，并精確地測出雜質(zhì)含量值，研究出能夠使這兩種雜質(zhì)降至最低的成膜工藝條件*4，成功開(kāi)發(fā)出兼具優(yōu)良透光性和高發(fā)電特性（發(fā)電效率為8.4%）的透射型Cu2O太陽(yáng)能電池（圖3）。
東芝將此次開(kāi)發(fā)的發(fā)電效率為8.4%的透射型Cu2O太陽(yáng)能電池作為頂電池，將高效率的Si太陽(yáng)能電池作為底電池，經(jīng)估算這種Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池發(fā)電效率為27.4%。
圖2 透射型Cu2O太陽(yáng)能電池
圖3 透射型Cu2O電池的結果
應用于電動(dòng)車(chē)時(shí)的續航里程估算
參考日本國立研發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）的估算方法，對安裝有本新型Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的電動(dòng)汽車(chē)的免充電續航里程進(jìn)行了粗略估算：
在車(chē)載安裝面積為3.33㎡，電動(dòng)汽車(chē)單位電量的可行駛距離(采用NEDO預測的2030年估算值)為12.5km/kWh的條件下，單日免充電續航里程約為35km。
由于Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的成本低、效率高，具有經(jīng)濟實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，即使安裝面積有限，仍能實(shí)現高功率輸出，因此，在電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行普及安裝后，有助力“交通運輸電氣化事業(yè)”，進(jìn)而為實(shí)現2050年碳中和目標做出貢獻。
未來(lái)展望
作為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構的委托項目，東芝計劃在2023年之前，開(kāi)始供應外部評估專(zhuān)用樣品，在2025年之前，完成實(shí)用尺寸Cu2O/Si串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。
*1：參考日本國立研發(fā)法人——新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構(NEDO)的汽車(chē)（安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統的汽車(chē)）審查委員會(huì )的中期報告（https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100909.html）進(jìn)行估算
*2：由III族元素（鎵、鋁、銦等）和V族元素（砷、磷、氮等）組成的化合物半導體制成的太陽(yáng)能電池
*3：利用X射線(xiàn)在晶格中的衍射現象進(jìn)行分析的方法。此方法能夠識別物質(zhì)，還能分析出晶體結構，因此被廣泛應用于生產(chǎn)研究
*4：東芝采用的方法：讓氧氣在成膜設備的真空室內流動(dòng)的同時(shí)，將銅板暴露于等離子區中，讓從銅板飛到基板上的銅元素與供應的氧原子發(fā)生反應，形成Cu2O薄膜（即：發(fā)電層）
