城市中的空间太阳能电池

城市中的空间太阳能电池

2022/09/14

城市中的空间太阳能电池CO₂对于实现减排目标至关重要超高效太阳能电池

仅使用车载太阳能电池产生的电力即可每天行驶 50 公里的电动汽车。这不是一个梦，也不是一个遥远未来的故事。这是到 2030 年的目标。使超高效太阳能电池在地面上用于太空成为可能研究与开发量产设备开发阶段

世界上最高效的 III-V 化合物太阳能电池

　太阳能发电已成为具有代表性的可再生能源。在日本各地看到大型太阳能设施已不再罕见。另一方面，可用于安装的土地数量是有限的。在日本的能源政策中，提高太阳能电池的转换效率和降低成本是一个重要的关键。

　目前，世界上将太阳光转化为电能的最有效方法是通过使用III-V族化合物材料的多结太阳能电池。 III-V族化合物是由镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)等III族元素和磷(P)、砷(As)等V族元素组成的化合物。 “多结太阳能电池”是一种将具有不同吸收波长的材料（电池）垂直连接的太阳能电池，从而可以有效地利用各种波长的太阳光。

　然而，即使具有超高效率，其价格也非常昂贵，因此迄今为止其使用仅限于人造卫星等太空应用，需要减少太阳能电池的安装面积、最小化负载重量并高效地获取能源，遗憾的是它并没有在我们的日常生活中使用。因此，AIST正在应对挑战，通过开发能够以低成本在地面使用的技术，使类似于太空中使用的高效太阳能电池广泛使用。

世界上第一张采用HVPE方法形成的铝材料薄膜

　我们询问了多结太阳能电池研究小组的 Takeyoshi Sugaya，如何才能使其在地面上可用。

　目前的太空太阳能电池成本为每瓦约7000日元，但我们的目标是将其降低至约200日元。成本高的主要原因有两个：缺乏高速生长晶体的方法，这是制造太阳能电池的步骤之一。问题是砷化镓（GaAs）基板无法重复使用。对于晶体生长，我们开始研究一种称为氢化物气相外延（HVPE）的成膜技术，预计该技术能够使用传统方法成本1/10的材料高速成膜，但存在重大技术挑战。”

　Sugaya提到的主要技术挑战是HVPE方法无法形成铝基材料薄膜，而铝基材料薄膜对于提高太阳能电池的性能至关重要。推出采用 HVPE 方法由优质铝材料制成的太阳能电池，这是以前没有人尝试过的。接受这一挑战的人是研究员 Yasushi Shoji。

　当使用金属氯化物生长晶体的HVPE设备中使用铝基材料时，会生成一氯化铝（AlCl），它与设备中使用的石英发生反应，损坏设备本身或将杂质引入成膜层。理论上，如果反应温度降低，三氯化铝（AlCl）与石英的反应性就会降低。₃5530_5741

　其结果是，我们在世界上首次成功地采用HVPE方法形成高质量铝材料的薄膜，并将其引入到太阳能电池中（2020/10/15 新闻稿文章）。可以以低成本实现高性能，并且利用HVPE方法实现了世界上太阳能电池的最高效率。通过展示以低成本生产高性能、小型、轻量太阳能电池的可能性，我们现在的目标是开发可以长距离运输的车载太阳能电池。

通过智能堆栈实现理想的多结

　除了降低成本之外，实现更高的效率也很重要。为此，菅谷和他的同事们也在致力于 AIST 原创粘合技术“Smart Stack”的发展。

6318_6691

梦想电动汽车，80%的用户无需充电即可行驶

　目前，研究工作正在朝着开发用于大规模生产的 HVPE 设备的方向发展。如果大规模生产这些轻质、超高效的太阳能电池成为现实，我们将会拥有什么样的未来？

　首先，我们将把它安装在一架在平流层飞行的通信无人机上。可以说，它是一个“飞行通信基站”。预计它将由太阳能电池提供能量，有助于实现即使发生灾难也不会中断的稳定通信。

　最终目标是将其安装在汽车上。实现35%的转换效率仅需3 m²汽车中装有太阳能电池，日本大约 80% 的汽车用户将能够在不充电的情况下行驶一天。目标是在 2030 年将其推向市场，并在 2050 年将其安装在所有电动汽车上。

　随着无人机和车载太阳能电池的普及和市场的扩大，我们预计能够降低价格。如果价格变得更便宜，也许可以将其扩展到其他用途，例如将其固定在建筑物的墙壁上或安装在工厂的轻型屋顶上。”

　低成本、超高效率的太阳能电池，有助于实现零排放社会。现在我们已经有了明确的实际应用路径，研究正在稳步向社会实施迈进。

　

　

本文转载自2021年9月发布的《AIST Report 2021》。AIST：出版物 AIST 报告 (aistgojp)