東芝開發(fā)新型串聯(lián)型太陽能電池，同時實現(xiàn)低成本和高效率，可應(yīng)用于免充電型電動汽車。該款Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池，預(yù)計整體發(fā)電效率將達(dá)27.4%，如果為電動汽車安裝這款太陽能電池，預(yù)計每天免充電續(xù)航里程約為35km*1。
開發(fā)背景
為實現(xiàn)碳中和社會這一目標(biāo)，世界各國正在大力推進(jìn)可再生能源事業(yè)，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(dǎo)體（GaAs）等III-V族太陽能電池*2疊加而成的串聯(lián)型太陽能電池，其發(fā)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(shù)百倍至數(shù)千倍。
而透射型Cu2O太陽能電池的主要原材料和制造設(shè)備價格低廉，預(yù)計生產(chǎn)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(jìn)行發(fā)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(jìn)行發(fā)電。采用這種方式后，無論長短波長的光都可以被轉(zhuǎn)化為電能。
圖1 Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池示意圖
本技術(shù)優(yōu)勢
由于Cu2O具有半導(dǎo)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)會降低發(fā)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(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太陽能電池（圖3）。
東芝將此次開發(fā)的發(fā)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(jīng)估算這種Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池發(fā)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(jié)果
應(yīng)用于電動車時的續(xù)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)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的估算方法，對安裝有本新型Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池的電動汽車的免充電續(xù)航里程進(jìn)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(yù)測的2030年估算值)為12.5km/kWh的條件下，單日免充電續(xù)航里程約為35km。
由于Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池的成本低、效率高，具有經(jīng)濟實惠的優(yōu)點，即使安裝面積有限，仍能實現(xiàn)高功率輸出，因此，在電動汽車進(jìn)行普及安裝后，有助力“交通運輸電氣化事業(yè)”，進(jìn)而為實現(xiàn)2050年碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。
未來展望
作為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)的委托項目，東芝計劃在2023年之前，開始供應(yīng)外部評估專用樣品，在2025年之前，完成實用尺寸Cu2O/Si串聯(lián)型太陽能電池的生產(chǎn)技術(shù)開發(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)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)的汽車（安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的汽車）審查委員會的中期報告（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(dǎo)體制成的太陽能電池
*3：利用X射線在晶格中的衍射現(xiàn)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(jié)構(gòu)，因此被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)研究
*4：東芝采用的方法：讓氧氣在成膜設(shè)備的真空室內(nèi)流動的同時，將銅板暴露于等離子區(qū)中，讓從銅板飛到基板上的銅元素與供應(yīng)的氧原子發(fā)生反應(yīng)，形成Cu2O薄膜（即：發(fā)電層）
