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东芝新开发的太阳能电池有望助力免充电电动车普及
Tue Dec 28 10:00:00 CST 2021

东芝开发新型串联型太阳能电池,同时实现低成本和高效率,可应用于免充电型电动汽车。该款Cu2O/Si串联型太阳能电池,预计整体发电效率将达27.4%,如果为电动汽车安装这款太阳能电池,预计每天免充电续航里程约为35km*1

开发背景

为实现碳中和社会这一目标,世界各国正在大力推进可再生能源事业,特别是汽车和电车等移动交通工具。

典型的高效率电池是由砷化镓半导体(GaAs)等III-V族太阳能电池*2叠加而成的串联型太阳能电池,其发电效率超过30%,高于Si太阳能电池,但制造成本比Si太阳能电池高出数百倍至数千倍。

而透射型Cu2O太阳能电池的主要原材料和制造设备价格低廉,预计生产成本将会大幅降低。透射型Cu2O太阳能电池通过吸收短波光进行发电,并且可以透射长波光,而Si太阳能电池作为底电池,通过吸收长波光进行发电。采用这种方式后,无论长短波长的光都可以被转化为电能。


图1 Cu2O/Si串联型太阳能电池示意图

本技术优势

由于Cu2O具有半导体晶体属性,其晶体中很容易产生氧化铜(CuO)和铜(Cu)等杂质,这些杂质会降低发电效率和透光率。东芝采用X射线衍射法*3直接检测出Cu2O发电层中所含的极少量CuO和Cu,并精确地测出杂质含量值,研究出能够使这两种杂质降至最低的成膜工艺条件*4,成功开发出兼具优良透光性和高发电特性(发电效率为8.4%)的透射型Cu2O太阳能电池(图3)。

东芝将此次开发的发电效率为8.4%的透射型Cu2O太阳能电池作为顶电池,将高效率的Si太阳能电池作为底电池,经估算这种Cu2O/Si串联型太阳能电池发电效率为27.4%。


图2 透射型Cu2O太阳能电池


图3 透射型Cu2O电池的结果

应用于电动车时的续航里程估算

参考日本国立研发法人新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的估算方法,对安装有本新型Cu2O/Si串联型太阳能电池的电动汽车的免充电续航里程进行了粗略估算:

在车载安装面积为3.33㎡,电动汽车单位电量的可行驶距离(采用NEDO预测的2030年估算值)为12.5km/kWh的条件下,单日免充电续航里程约为35km。

由于Cu2O/Si串联型太阳能电池的成本低、效率高,具有经济实惠的优点,即使安装面积有限,仍能实现高功率输出,因此,在电动汽车进行普及安装后,有助力“交通运输电气化事业”,进而为实现2050年碳中和目标做出贡献。

未来展望

作为日本新能源产业技术综合开发机构的委托项目,东芝计划在2023年之前,开始供应外部评估专用样品,在2025年之前,完成实用尺寸Cu2O/Si串联型太阳能电池的生产技术开发工作。

*1:参考日本国立研发法人——新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的汽车(安装太阳能发电系统的汽车)审查委员会的中期报告()进行估算

*2:由III族元素(镓、铝、铟等)和V族元素(砷、磷、氮等)组成的化合物半导体制成的太阳能电池

*3:利用X射线在晶格中的衍射现象进行分析的方法。此方法能够识别物质,还能分析出晶体结构,因此被广泛应用于生产研究

*4:东芝采用的方法:让氧气在成膜设备的真空室内流动的同时,将铜板暴露于等离子区中,让从铜板飞到基板上的铜元素与供应的氧原子发生反应,形成Cu2O薄膜(即:发电层)

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