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東芝新開發的太陽能電池有望助力免充電電動車普及
2021年12月28日

東芝開發新型串聯型太陽能電池,同時實現低成本和高效率,可應用于免充電型電動汽車。該款Cu2O/Si串聯型太陽能電池,預計整體發電效率將達27.4%,如果為電動汽車安裝這款太陽能電池,預計每天免充電續航里程約為35km*1。

開發背景

為實現碳中和社會這一目標,世界各國正在大力推進可再生能源事業,特別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鎵半導體(GaAs)等III-V族太陽能電池*2疊加而成的串聯型太陽能電池,其發電效率超過30%,高于Si太陽能電池,但制造成本比Si太陽能電池高出數百倍至數千倍。

而透射型Cu2O太陽能電池的主要原材料和制造設備價格低廉,預計生產成本將會大幅降低。透射型Cu2O太陽能電池通過吸收短波光進行發電,并且可以透射長波光,而Si太陽能電池作為底電池,通過吸收長波光進行發電。采用這種方式后,無論長短波長的光都可以被轉化為電能。


圖1 Cu2O/Si串聯型太陽能電池示意圖

本技術優勢

由于Cu2O具有半導體晶體屬性,其晶體中很容易產生氧化銅(CuO)和銅(Cu)等雜質,這些雜質會降低發電效率和透光率。東芝采用X射線衍射法*3直接檢測出Cu2O發電層中所含的極少量CuO和Cu,并精確地測出雜質含量值,研究出能夠使這兩種雜質降至最低的成膜工藝條件*4,成功開發出兼具優良透光性和高發電特性(發電效率為8.4%)的透射型Cu2O太陽能電池(圖3)。

東芝將此次開發的發電效率為8.4%的透射型Cu2O太陽能電池作為頂電池,將高效率的Si太陽能電池作為底電池,經估算這種Cu2O/Si串聯型太陽能電池發電效率為27.4%。


圖2 透射型Cu2O太陽能電池


圖3 透射型Cu2O電池的結果

應用于電動車時的續航里程估算

參考日本國立研發法人新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的估算方法,對安裝有本新型Cu2O/Si串聯型太陽能電池的電動汽車的免充電續航里程進行了粗略估算:

在車載安裝面積為3.33㎡,電動汽車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串聯型太陽能電池的成本低、效率高,具有經濟實惠的優點,即使安裝面積有限,仍能實現高功率輸出,因此,在電動汽車進行普及安裝后,有助力“交通運輸電氣化事業”,進而為實現2050年碳中和目標做出貢獻。

未來展望

作為日本新能源產業技術綜合開發機構的委托項目,東芝計劃在2023年之前,開始供應外部評估專用樣品,在2025年之前,完成實用尺寸Cu2O/Si串聯型太陽能電池的生產技術開發工作。

*1:參考日本國立研發法人——新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的汽車(安裝太陽能發電系統的汽車)審查委員會的中期報告(https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100909.html)進行估算

*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能電池

*3:利用X射線在晶格中的衍射現象進行分析的方法。此方法能夠識別物質,還能分析出晶體結構,因此被廣泛應用于生產研究

*4:東芝采用的方法:讓氧氣在成膜設備的真空室內流動的同時,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生反應,形成Cu2O薄膜(即:發電層)

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