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    在低成本高效率利用太陽能這件事上我們是認真的!【上篇】 mask

    在低成本高效率利用太陽能這件事上我們是認真的!【下篇】

    東芝在免充電電動汽車(EV)領域取得重大進展

    2022.05.26 能源
    本文看點
    • 通過技術手段持續提高新型太陽能電池的發電效率
    • 技術差異化帶來的戰略優勢是什么?
    • 碳中和社會的目標、理念(包括:免充電的純電動汽車等)

    正如上篇所強調的,為了遏制氣候變化帶來的不利影響(例如:森林火災等),必須要實現溫室氣體凈零排放的目標。溫室氣體排放源約有四分之一來自“發電”,而利用可再生能源發電不會直接產生溫室氣體,因此,越來越多的人們開始關注可再生能源發電。

    全球溫室氣體排放比例(按產業分類)

    串聯型電池和單體電池均可采用Cu?O材料!

    東芝的串聯型太陽能電池將Cu?O材料(氧化亞銅)電池和傳統硅材料電池組相結合,其中Cu?O材料實現了全球最高發電效率8.4%。

    株式會社東芝 研究開發中心 納米材料前沿研究所 換能器技術實驗室 研究員
    山本和重

    事實上,在成功開發出用作太陽能電池的Cu?O薄膜后,仍會經歷發電效率增長乏力的一段時期。原因是p層(Cu?O)與n層的接合面存在能量不匹配問題。因此,負責模擬試驗的專家芝崎目前仍在反復進行大量的參數設置和實際測量,以期找到p層和n層的最佳匹配條件。

    株式會社東芝 研究開發中心 納米材料前沿研究所 換能器技術實驗室 專家
    芝崎聰一郎

    此外, 在Cu?O材料改進方面,研究員們通過獨創的工藝成功去除微量的Cu和CuO雜質。

    “我們Cu?O材料的目標發電效率是10%,但目前已知理論上的最高值是19%,幾乎是我們目標的兩倍。如果發電效率超過15%,Cu?O單體太陽能電池也能投入實際應用,更不用說Cu?O串聯型電池。

    Cu?O是一種極其堅硬且耐用的材料,因此,它可以在諸如陽光強烈、鹽害嚴重的島嶼地區或是寒冷地區等環境惡劣的地區使用,例如:。根據研發情況的不同,我們考慮了兩種戰略,一種是與硅材料組合,生產出串聯型太陽能電池,并將其推向市場,另一種是先小規模地生產Cu?O單體太陽能電池,之后再向串聯型電池方向進軍”(山本)

    通過去除CuO和Cu等雜質,實現較高發電效率的Cu?O材料

    突破量產化壁壘,確立技術差異化!

    東芝在提高Cu?O發電效率的同時,致力于Cu?O材料的大型化(擴大材料尺寸),這是推進量產化的技術開發工作的重要一步。

    目前,研究開發中心使用與東芝能源系統株式會社共同開發引進的新裝置,成功將Cu?O材料的尺寸均勻地擴大到邊長為4cm的正方形,預計將在2025年之前擴大到與硅材料太陽能電池邊長相同的15cm。

    “同時,Cu?O的透明化處理技術相當特殊,是東芝的獨有技術。將Cu?O擴大到實用尺寸后,這種技術差異化將是競爭對手公司難以逾越的壁壘?!?/strong>(芝崎)

    每天的總體發電效率高,能夠充分利用太陽能

    東芝串聯型太陽能電池的獨特之處還有很多。

    世界上的大部分串聯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,屬于各個電極串聯排列的兩端子結構。而東芝的串聯型太陽能電池中,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。它們擁有獨立的電極,屬于四端子結構。對此,山本還作了如下補充。

    “太陽能電池,特別是硅材料電池,在太陽光垂直照射時,可達到發電峰值。然而,在太陽傾斜照射時,發電效率呈現下降趨勢,可以設想的是,兩種串聯型電池之間會出現發電量偏差。此時,如果各電池的電極為串聯排列的兩端子結構,會出現電量向發電量較低的電池傳導的現象,從而出現電力損耗。

    而東芝的四端子型電池由于每個電池產生的電力都是單獨供應的,因此不會出現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電效率方面具有很大的優勢。即使是熟悉太陽能電池的人也會存在這樣的固有概念,即:串聯型電池一般都采用各個電池串聯排列的結構。但我們不拘泥于常識,通過合理判斷來選擇相關工藝和端子結構”。

    Cu?O/硅串聯型太陽能電池的四端子結構圖解

    在不久的將來,有可能實現免充電即可行駛的純電動汽車

    目前,僅使用硅材料的太陽能電池雖然成本低廉,但發電效率僅為27%左右,而使用砷化鎵半導體制成的串聯型太陽能電池,發電效率是硅電池的1.5~2倍,但成本卻是硅電池的數百倍甚至數千倍,因此主要用于宇宙開發。山本介紹說:“如果不計成本的話,我們也能夠使用砷化鎵來實現串聯型太陽能電池30%的發電效率。但是,由于成本大幅提高,這樣的產品不會被社會接受,僅就太陽能電池成本而言,需要花費超1千萬日元才能產生1千瓦的電力。我們的Cu?O/硅串聯型太陽能電池可以實現低成本和高效率的平衡,因此我們考慮研發的電池產品是,能夠安裝在面積很小的空間內,并且能夠滿足硅電池無法實現的大功率需求?!?/p>

    因此,東芝將研發目標鎖定為節省空間、發電效率高的電池產品,并期待在純電動汽車(EV)、電車、無人機等移動領域展開應用?!?/strong>

    目標之一就是“免充電即可行駛的純電動汽車”。例如,東芝的Cu?O/硅串聯型太陽能電池估算的發電效率可達到27.4%。如果安裝于純電動汽車頂部等處的太陽能電池面積為3.33㎡,在純電動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,還能為實現碳中和社會做出貢獻,可謂是創新之舉。

    純電動汽車的Cu?O/硅串聯型太陽能電池安裝圖解

    據估算,東芝的Cu?O/硅串聯型太陽能電池具有發電效率達到40%左右的潛力。為了離此數值更近一步,東芝正在制定開發路線圖,包括將Cu?O太陽能電池的發電效率目標值從10%修改為更高的數值。

    本文章節選自下述頁面文章,點擊可以閱讀完整版。(英文)

    Corporate Research & Development Center | Toshiba (global.toshiba)

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