东芝串联型太阳能电池实现全球最高发电效率8.4%

正如上篇所强调的，为了遏制气候变化带来的不利影响（例如：森林火灾等），必须要实现温室气体净零排放的目标。温室气体排放源约有四分之一来自“发电”，而利用可再生能源发电不会直接产生温室气体，因此，越来越多的人开始关注可再生能源发电。

01串联型电池和单体电池均可采用Cu₂O材料！

东芝的串联型太阳能电池将Cu₂O材料（氧化亚铜）电池和传统硅材料电池组相结合，其中Cu₂O材料实现了全球最高发电效率8.4%。

株式会社东芝 研究开发中心 纳米材料前沿研究所

换能器技术实验室 研究员 山本和重

事实上，在成功开发出用作太阳能电池的Cu₂O薄膜后，仍会经历发电效率增长乏力的一段时期。原因是p层（Cu₂O）与n层的接合面存在着能量不匹配问题。因此，负责模拟试验的专家芝崎目前仍在反复进行大量的参数设置和实际测量，以期找到p层和n层的最佳匹配条件。

此外， 在Cu₂O材料改进方面，研究员们通过独创的工艺成功去除微量的Cu和CuO杂质。

“我们Cu₂O材料的目标发电效率是10%，但目前已知理论上的最高值是19%，几乎是我们目标的两倍。如果发电效率超过15%，Cu₂O单体太阳能电池也能投入实际应用，更不用说Cu₂O串联型电池。

Cu₂O是一种极其坚硬且耐用的材料，因此，它可以在诸如阳光强烈、盐害严重的岛屿地区或是寒冷地区等环境恶劣的地区使用。根据研发情况的不同，我们考虑了两种战略，一种是与硅材料组合，生产出串联型太阳能电池，并将其推向市场；另一种是先小规模地生产Cu₂O单体太阳能电池，之后再向串联型电池方向进军。”（山本）

通过去除CuO和Cu等杂质，实现较高发电效率的Cu₂O材料

02突破量产化壁垒，

确立技术差异化！

东芝在提高Cu₂O发电效率的同时，致力于Cu₂O材料的大型化（扩大材料尺寸），这是推进量产化的技术开发工作的重要一步。

目前，研究开发中心使用与东芝能源系统株式会社共同开发引进的新装置，成功将Cu₂O材料的尺寸均匀地扩大到边长为4cm的正方形，预计将在2025年之前扩大到与硅材料太阳能电池边长相同的15cm。

“同时，Cu₂O的透明化处理技术相当特殊，是东芝的独有技术。将Cu₂O扩大到实用尺寸后，这种技术差异化将是竞争对手公司难以逾越的壁垒。”（芝崎）

株式会社东芝 研究开发中心 纳米材料前沿研究所

换能器技术实验室 专家 芝崎聪一郎

03每天的总体发电效率高，

能够充分利用太阳能！

东芝串联型太阳能电池的独特之处还有很多。

世界上的大部分串联型太阳能电池是通过两种电池连接工艺制造出来的一体式电池，属于各个电极串联排列的两端子结构。而东芝的串联型太阳能电池中，Cu₂O和硅材料采用不同的工艺制造而成，再使用粘合剂压合在一起。它们拥有独立的电极，属于四端子结构。对此，山本还作了如下补充。

“太阳能电池，特别是硅材料电池，在太阳光垂直照射时，可达到发电峰值。然而，在太阳倾斜照射时，发电效率呈现下降趋势，可以设想的是，两种串联型电池之间会出现发电量偏差。此时，如果各电池的电极为串联排列的两端子结构，会出现电量向发电量较低的电池传导的现象，从而出现电力损耗。

而东芝的四端子型电池由于每个电池产生的电力都是单独供应的，因此不会出现两端子型电池那样的电力损耗。考虑到太阳光照射角度的不断变化，我们的电池在日总体发电效率方面具有很大的优势。即使是熟悉太阳能电池的人也会存在这样的固有概念，即：串联型电池一般都采用各个电池串联排列的结构。但我们不拘泥于常识，通过合理判断来选择相关工艺和端子结构。”

Cu₂O/硅串联型太阳能电池的四端子结构

04在不久的将来，有可能实现免充电即可行驶的纯电动汽车。

目前，仅使用硅材料的太阳能电池虽然成本低廉，但发电效率仅为27%左右，而使用砷化镓半导体制成的串联型太阳能电池，发电效率是硅电池的1.5～2倍，但成本却是硅电池的数百倍甚至数千倍，因此主要用于宇宙开发。山本介绍说：“如果不计成本的话，我们也能够使用砷化镓来实现串联型太阳能电池30%的发电效率。但是，由于成本大幅提高，这样的产品不会被社会接受，仅就太阳能电池成本而言，需要花费超1千万日元才能产生1千瓦的电力。我们的Cu₂O/硅串联型太阳能电池可以实现低成本和高效率的平衡，因此我们考虑研发的电池产品是，能够安装在面积很小的空间内，并且能够满足硅电池无法实现的大功率需求。

因此，东芝将研发目标锁定为节省空间、发电效率高的电池产品，并期待在纯电动汽车（EV）、电车、无人机等移动领域展开应用。”

目标之一就是“免充电即可行驶的纯电动汽车”。例如，东芝的Cu₂O/硅串联型太阳能电池估算的发电效率可达到27.4%。如果安装于纯电动汽车顶部等处的太阳能电池面积为3.33㎡，在纯电动汽车的单位电量可行驶距离为12.5km/kWh的情况下，则一天的发电量可以行驶约35km。这样的行驶距离，有望让车主摆脱需要停车充电的困扰。并且，还能为实现碳中和社会做出贡献，可谓是创新之举。

据估算，东芝的Cu₂O/硅串联型太阳能电池具有发电效率达到40%左右的潜力。为了离此数值更近一步，东芝正在制定开发路线图，包括将Cu₂O太阳能电池的发电效率目标值从10%修改为更高的数值。

审核编辑：彭静