東芝串聯(lián)型太陽能電池實(shí)現(xiàn)全球最高發(fā)電效率8.4%

正如上篇所強(qiáng)調(diào)的，為了遏制氣候變化帶來的不利影響（例如：森林火災(zāi)等），必須要實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放的目標(biāo)。溫室氣體排放源約有四分之一來自“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，越來越多的人開始關(guān)注可再生能源發(fā)電。

01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)型太陽能電池將Cu?O材料（氧化亞銅）電池和傳統(tǒng)硅材料電池組相結(jié)合，其中Cu?O材料實(shí)現(xiàn)了全球最高發(fā)電效率8.4%。

株式會(huì)社東芝 研究開發(fā)中心 納米材料前沿研究所

換能器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 研究員 山本和重

事實(shí)上，在成功開發(fā)出用作太陽能電池的Cu?O薄膜后，仍會(huì)經(jīng)歷發(fā)電效率增長(zhǎng)乏力的一段時(shí)期。原因是p層（Cu?O）與n層的接合面存在著能量不匹配問題。因此，負(fù)責(zé)模擬試驗(yàn)的專家芝崎目前仍在反復(fù)進(jìn)行大量的參數(shù)設(shè)置和實(shí)際測(cè)量，以期找到p層和n層的最佳匹配條件。

此外， 在Cu?O材料改進(jìn)方面，研究員們通過獨(dú)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(biāo)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(biāo)的兩倍。如果發(fā)電效率超過15%，Cu?O單體太陽能電池也能投入實(shí)際應(yīng)用，更不用說Cu?O串聯(lián)型電池。

Cu?O是一種極其堅(jiān)硬且耐用的材料，因此，它可以在諸如陽光強(qiáng)烈、鹽害嚴(yán)重的島嶼地區(qū)或是寒冷地區(qū)等環(huán)境惡劣的地區(qū)使用。根據(jù)研發(fā)情況的不同，我們考慮了兩種戰(zhàn)略，一種是與硅材料組合，生產(chǎn)出串聯(lián)型太陽能電池，并將其推向市場(chǎng)；另一種是先小規(guī)模地生產(chǎn)Cu?O單體太陽能電池，之后再向串聯(lián)型電池方向進(jìn)軍?！保ㄉ奖荆?/p>

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

02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(kuò)大材料尺寸），這是推進(jìn)量產(chǎn)化的技術(shù)開發(fā)工作的重要一步。

目前，研究開發(fā)中心使用與東芝能源系統(tǒng)株式會(huì)社共同開發(fā)引進(jìn)的新裝置，成功將Cu?O材料的尺寸均勻地?cái)U(kuò)大到邊長(zhǎng)為4cm的正方形，預(yù)計(jì)將在2025年之前擴(kuò)大到與硅材料太陽能電池邊長(zhǎng)相同的15cm。

“同時(shí)，Cu?O的透明化處理技術(shù)相當(dāng)特殊，是東芝的獨(dú)有技術(shù)。將Cu?O擴(kuò)大到實(shí)用尺寸后，這種技術(shù)差異化將是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手公司難以逾越的壁壘?！保ㄖテ椋?/p>

株式會(huì)社東芝 研究開發(fā)中心 納米材料前沿研究所

換能器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 專家 芝崎聰一郎

03每天的總體發(fā)電效率高，

能夠充分利用太陽能！

東芝串聯(lián)型太陽能電池的獨(dú)特之處還有很多。

世界上的大部分串聯(lián)型太陽能電池是通過兩種電池連接工藝制造出來的一體式電池，屬于各個(gè)電極串聯(lián)排列的兩端子結(jié)構(gòu)。而東芝的串聯(lián)型太陽能電池中，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(dú)立的電極，屬于四端子結(jié)構(gòu)。對(duì)此，山本還作了如下補(bǔ)充。

“太陽能電池，特別是硅材料電池，在太陽光垂直照射時(shí)，可達(dá)到發(fā)電峰值。然而，在太陽傾斜照射時(shí)，發(fā)電效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可以設(shè)想的是，兩種串聯(lián)型電池之間會(huì)出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)電量向發(fā)電量較低的電池傳導(dǎo)的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)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(dú)供應(yīng)的，因此不會(huì)出現(xiàn)兩端子型電池那樣的電力損耗。考慮到太陽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(shì)。即使是熟悉太陽能電池的人也會(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(jié)構(gòu)。但我們不拘泥于常識(shí)，通過合理判斷來選擇相關(guān)工藝和端子結(jié)構(gòu)?！?/p>

Cu?O/硅串聯(lián)型太陽能電池的四端子結(jié)構(gòu)

04在不久的將來，有可能實(shí)現(xiàn)免充電即可行駛的純電動(dòng)汽車。

目前，僅使用硅材料的太陽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(dǎo)體制成的串聯(lián)型太陽能電池，發(fā)電效率是硅電池的1.5～2倍，但成本卻是硅電池的數(shù)百倍甚至數(shù)千倍，因此主要用于宇宙開發(fā)。山本介紹說：“如果不計(jì)成本的話，我們也能夠使用砷化鎵來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)型太陽能電池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，僅就太陽能電池成本而言，需要花費(fèi)超1千萬日元才能產(chǎn)生1千瓦的電力。我們的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)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(nèi)，并且能夠滿足硅電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的大功率需求。

因此，東芝將研發(fā)目標(biāo)鎖定為節(jié)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（EV）、電車、無人機(jī)等移動(dòng)領(lǐng)域展開應(yīng)用?！?/p>

目標(biāo)之一就是“免充電即可行駛的純電動(dòng)汽車”。例如，東芝的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽能電池估算的發(fā)電效率可達(dá)到27.4%。如果安裝于純電動(dòng)汽車頂部等處的太陽能電池面積為3.33㎡，在純電動(dòng)汽車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，有望讓車主擺脫需要停車充電的困擾。并且，還能為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)做出貢獻(xiàn)，可謂是創(chuàng)新之舉。

據(jù)估算，東芝的Cu?O/硅串聯(lián)型太陽能電池具有發(fā)電效率達(dá)到40%左右的潛力。為了離此數(shù)值更近一步，東芝正在制定開發(fā)路線圖，包括將Cu?O太陽能電池的發(fā)電效率目標(biāo)值從10%修改為更高的數(shù)值。