正如上篇所強調的，為了遏制氣候變化帶來(lái)的不利影響（例如：森林火災等），必須要實(shí)現溫室氣體凈零排放的目標。溫室氣體排放源約有四分之一來(lái)自“發(fā)電”，而利用可再生能源發(fā)電不會(huì )直接產(chǎn)生溫室氣體，因此，越來(lái)越多的人們開(kāi)始關(guān)注可再生能源發(fā)電。

全球溫室氣體排放比例（按產(chǎn)業(yè)分類(lèi)）

串聯(lián)型電池和單體電池均可采用Cu?O材料！

東芝的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池將Cu?O材料（氧化亞銅）電池和傳統硅材料電池組相結合，其中Cu?O材料實(shí)現了全球最高發(fā)電效率8.4%。

株式會(huì )社東芝 研究開(kāi)發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實(shí)驗室 研究員
山本和重

事實(shí)上，在成功開(kāi)發(fā)出用作太陽(yáng)能電池的Cu?O薄膜后，仍會(huì )經(jīng)歷發(fā)電效率增長(cháng)乏力的一段時(shí)期。原因是p層（Cu?O）與n層的接合面存在能量不匹配問(wèn)題。因此，負責模擬試驗的專(zhuān)家芝崎目前仍在反復進(jìn)行大量的參數設置和實(shí)際測量，以期找到p層和n層的最佳匹配條件。

株式會(huì )社東芝 研究開(kāi)發(fā)中心 納米材料前沿研究所 換能器技術(shù)實(shí)驗室 專(zhuān)家
芝崎聰一郎

此外， 在Cu?O材料改進(jìn)方面，研究員們通過(guò)獨創(chuàng )的工藝成功去除微量的Cu和CuO雜質(zhì)。

“我們Cu?O材料的目標發(fā)電效率是10%，但目前已知理論上的最高值是19%，幾乎是我們目標的兩倍。如果發(fā)電效率超過(guò)15%，Cu?O單體太陽(yáng)能電池也能投入實(shí)際應用，更不用說(shuō)Cu?O串聯(lián)型電池。

Cu?O是一種極其堅硬且耐用的材料，因此，它可以在諸如陽(yáng)光強烈、鹽害嚴重的島嶼地區或是寒冷地區等環(huán)境惡劣的地區使用，例如：。根據研發(fā)情況的不同，我們考慮了兩種戰略，一種是與硅材料組合，生產(chǎn)出串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，并將其推向市場(chǎng)，另一種是先小規模地生產(chǎn)Cu?O單體太陽(yáng)能電池，之后再向串聯(lián)型電池方向進(jìn)軍”（山本）

通過(guò)去除CuO和Cu等雜質(zhì)，實(shí)現較高發(fā)電效率的Cu?O材料

突破量產(chǎn)化壁壘，確立技術(shù)差異化！

東芝在提高Cu?O發(fā)電效率的同時(shí)，致力于Cu?O材料的大型化（擴大材料尺寸），這是推進(jìn)量產(chǎn)化的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作的重要一步。

目前，研究開(kāi)發(fā)中心使用與東芝能源系統株式會(huì )社共同開(kāi)發(fā)引進(jìn)的新裝置，成功將Cu?O材料的尺寸均勻地擴大到邊長(cháng)為4cm的正方形，預計將在2025年之前擴大到與硅材料太陽(yáng)能電池邊長(cháng)相同的15cm。

“同時(shí)，Cu?O的透明化處理技術(shù)相當特殊，是東芝的獨有技術(shù)。將Cu?O擴大到實(shí)用尺寸后，這種技術(shù)差異化將是競爭對手公司難以逾越的壁壘?！?/strong>（芝崎）

每天的總體發(fā)電效率高，能夠充分利用太陽(yáng)能

東芝串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的獨特之處還有很多。

世界上的大部分串聯(lián)型太陽(yáng)能電池是通過(guò)兩種電池連接工藝制造出來(lái)的一體式電池，屬于各個(gè)電極串聯(lián)排列的兩端子結構。而東芝的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池中，Cu?O和硅材料采用不同的工藝制造而成，再使用粘合劑壓合在一起。它們擁有獨立的電極，屬于四端子結構。對此，山本還作了如下補充。

“太陽(yáng)能電池，特別是硅材料電池，在太陽(yáng)光垂直照射時(shí)，可達到發(fā)電峰值。然而，在太陽(yáng)傾斜照射時(shí)，發(fā)電效率呈現下降趨勢，可以設想的是，兩種串聯(lián)型電池之間會(huì )出現發(fā)電量偏差。此時(shí)，如果各電池的電極為串聯(lián)排列的兩端子結構，會(huì )出現電量向發(fā)電量較低的電池傳導的現象，從而出現電力損耗。

而東芝的四端子型電池由于每個(gè)電池產(chǎn)生的電力都是單獨供應的，因此不會(huì )出現兩端子型電池那樣的電力損耗。考慮到太陽(yáng)光照射角度的不斷變化，我們的電池在日總體發(fā)電效率方面具有很大的優(yōu)勢。即使是熟悉太陽(yáng)能電池的人也會(huì )存在這樣的固有概念，即：串聯(lián)型電池一般都采用各個(gè)電池串聯(lián)排列的結構。但我們不拘泥于常識，通過(guò)合理判斷來(lái)選擇相關(guān)工藝和端子結構”。

Cu?O/硅串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的四端子結構圖解

在不久的將來(lái)，有可能實(shí)現免充電即可行駛的純電動(dòng)汽車(chē)

目前，僅使用硅材料的太陽(yáng)能電池雖然成本低廉，但發(fā)電效率僅為27%左右，而使用砷化鎵半導體制成的串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，發(fā)電效率是硅電池的1.5～2倍，但成本卻是硅電池的數百倍甚至數千倍，因此主要用于宇宙開(kāi)發(fā)。山本介紹說(shuō)：“如果不計成本的話(huà)，我們也能夠使用砷化鎵來(lái)實(shí)現串聯(lián)型太陽(yáng)能電池30%的發(fā)電效率。但是，由于成本大幅提高，這樣的產(chǎn)品不會(huì )被社會(huì )接受，僅就太陽(yáng)能電池成本而言，需要花費超1千萬(wàn)日元才能產(chǎn)生1千瓦的電力。我們的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽(yáng)能電池可以實(shí)現低成本和高效率的平衡，因此我們考慮研發(fā)的電池產(chǎn)品是，能夠安裝在面積很小的空間內，并且能夠滿(mǎn)足硅電池無(wú)法實(shí)現的大功率需求?！?/p>

因此，東芝將研發(fā)目標鎖定為節省空間、發(fā)電效率高的電池產(chǎn)品，并期待在純電動(dòng)汽車(chē)(EV)、電車(chē)、無(wú)人機等移動(dòng)領(lǐng)域展開(kāi)應用?！?/strong>

目標之一就是“免充電即可行駛的純電動(dòng)汽車(chē)”。例如，東芝的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽(yáng)能電池估算的發(fā)電效率可達到27.4%。如果安裝于純電動(dòng)汽車(chē)頂部等處的太陽(yáng)能電池面積為3.33㎡，在純電動(dòng)汽車(chē)的單位電量可行駛距離為12.5km/kWh的情況下，則一天的發(fā)電量可以行駛約35km。這樣的行駛距離，有望讓車(chē)主擺脫需要停車(chē)充電的困擾。并且，還能為實(shí)現碳中和社會(huì )做出貢獻，可謂是創(chuàng )新之舉。

純電動(dòng)汽車(chē)的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽(yáng)能電池安裝圖解

據估算，東芝的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽(yáng)能電池具有發(fā)電效率達到40%左右的潛力。為了離此數值更近一步，東芝正在制定開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖，包括將Cu?O太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率目標值從10%修改為更高的數值。

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