東芝開發(fā／fà)新型串聯型太陽能(néng)電池，同時實現低成本和高效率，可(kě)應用(yòng)于(yú)免充電型電動汽車。該款Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池，預計整體發(fā／fà)電效率将達27.4%，如(rú)果爲電動汽車安裝這款太陽能(néng)電池，預計每天(tiān)免充電續航裏(lǐ)程約爲35km*1。
開發(fā／fà)背景
爲實現碳中和社會(huì)這一目标，世界各國正在大力推進可(kě)再生(shēng)能(néng)源事(shì)業，特别是汽車和電車等移動交通工具。
典型的高效率電池是由砷化镓半導體（GaAs）等III-V族太陽能(néng)電池*2疊加而(ér)成的串聯型太陽能(néng)電池，其(qí)發(fā／fà)電效率超過(guò)30%，高于(yú)Si太陽能(néng)電池，但制造成本比Si太陽能(néng)電池高出數百倍至數千倍。
而(ér)透射型Cu2O太陽能(néng)電池的主要(yào / yāo)原材料和制造設備價格低廉，預計生(shēng)産成本将會(huì)大幅降低。透射型Cu2O太陽能(néng)電池通過(guò)吸收短波光進行(háng / xíng)發(fā／fà)電，并且可(kě)以透射長波光，而(ér)Si太陽能(néng)電池作爲底電池，通過(guò)吸收長波光進行(háng / xíng)發(fā／fà)電。采用(yòng)這種方式後(hòu)，無論長短波長的光都可(kě)以被轉化爲電能(néng)。
圖1 Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池示意圖
本技術優勢
由于(yú)Cu2O具有半導體晶體屬性，其(qí)晶體中很容易産生(shēng)氧化銅（CuO）和銅（Cu）等雜質，這些雜質會(huì)降低發(fā／fà)電效率和透光率。東芝采用(yòng)X射線衍射法*3直接檢測出Cu2O發(fā／fà)電層中所(suǒ)含的極少量CuO和Cu，并精确地測出雜質含量值，研究出能(néng)夠使這兩種雜質降至最低的成膜工藝條件*4，成功開發(fā／fà)出兼具優良透光性和高發(fā／fà)電特性（發(fā／fà)電效率爲8.4%）的透射型Cu2O太陽能(néng)電池（圖3）。
東芝将此次開發(fā／fà)的發(fā／fà)電效率爲8.4%的透射型Cu2O太陽能(néng)電池作爲頂電池，将高效率的Si太陽能(néng)電池作爲底電池，經估算這種Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池發(fā／fà)電效率爲27.4%。
圖2 透射型Cu2O太陽能(néng)電池
圖3 透射型Cu2O電池的結果
應用(yòng)于(yú)電動車時的續航裏(lǐ)程估算
參考日本國立研發(fā／fà)法人新能(néng)源産業技術綜合開發(fā／fà)機構（NEDO）的估算方法，對(duì)安裝有本新型Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池的電動汽車的免充電續航裏(lǐ)程進行(háng / xíng)了粗略估算：
在車載安裝面積爲3.33㎡，電動汽車單位電量的可(kě)行(háng / xíng)駛距離(采用(yòng)NEDO預測的2030年(nián)估算值)爲12.5km/kWh的條件下(xià)，單日免充電續航裏(lǐ)程約爲35km。
由于(yú)Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池的成本低、效率高，具有經濟實惠的優點，即使安裝面積有限，仍能(néng)實現高功率輸出，因此，在電動汽車進行(háng / xíng)普及安裝後(hòu)，有助力“交通運輸電氣化事(shì)業”，進而(ér)爲實現2050年(nián)碳中和目标做出貢獻。
未來展望
作爲日本新能(néng)源産業技術綜合開發(fā／fà)機構的委托項目，東芝計劃在2023年(nián)之前，開始供應外部評估專用(yòng)樣品，在2025年(nián)之前，完成實用(yòng)尺寸Cu2O/Si串聯型太陽能(néng)電池的生(shēng)産技術開發(fā／fà)工作。
*1：參考日本國立研發(fā／fà)法人——新能(néng)源産業技術綜合開發(fā／fà)機構(NEDO)的汽車（安裝太陽能(néng)發(fā／fà)電系統的汽車）審查委員會(huì)的中期報告（https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100909.html）進行(háng / xíng)估算
*2：由III族元素（镓、鋁、铟等）和V族元素（砷、磷、氮等）組成的化合物半導體制成的太陽能(néng)電池
*3：利用(yòng)X射線在晶格中的衍射現象進行(háng / xíng)分析的方法。此方法能(néng)夠識别物質，還能(néng)分析出晶體結構，因此被廣泛應用(yòng)于(yú)生(shēng)産研究
*4：東芝采用(yòng)的方法：讓氧氣在成膜設備的真空室内流動的同時，将銅闆暴露于(yú)等離子區中，讓從銅闆飛到基闆上的銅元素與供應的氧原子發(fā／fà)生(shēng)反應，形成Cu2O薄膜（即：發(fā／fà)電層）
