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EVに実装する場合のイメージ(図:東芝)
EVに実装する場合のイメージ(図:東芝)
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 東芝は2021年12月、亜酸化銅(Cu2O)をp型半導体とする太陽電池(Cu2O太陽電池)で変換効率8.4%を達成したと発表した。この値は2017年に金沢工業大学が発表した8.23%を上回り、世界最高水準とみられる(図1)。このCu2O太陽電池を結晶Si太陽電池に重ねて「4端子タンデム」にした太陽電池の総合的な変換効率は27.4%と試算できるという。今後同社はこの4端子タンデムの変換効率を30%に引き上げて、車載用太陽電池として使っていく考え。晴天であれば燃料や系統電力からの充電なしで1日当たり約39km走行できるEVを実現可能だとする注1)

図1 東芝が開発した変換効率8.4%のCu<sub>2</sub>O太陽電池と競合セルの比較
図1 東芝が開発した変換効率8.4%のCu2O太陽電池と競合セルの比較
外部機関は、日経クロステック調べで金沢工業大学とみられる。変換効率では大差がないが、金沢工業大学のCu2O層は可視光にはほぼ不透明で、タンデム型太陽電池には向かない。(図と写真:東芝)
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4端子タンデム=2種類の太陽電池を上下に重ねているが、電気的にはつながっていないタイプのタンデム(連結)型太陽電池。
注1)この走行距離の計算には、クルマへの太陽電池の実装面積3.33m2、電費が12.5km/kWhという仮定を用いている。変換効率が30%の場合、この太陽電池の出力は最大で約1kW。蓄電池を使わずこの出力だけでEVを駆動すると、1時間で1kWhなので、走行速度は最高12.5km/時。平均速度は日経クロステック推定で約6km/時と速足で歩くぐらいのスピードとなる。このため、蓄電池なしというのは現実的ではない。仮に蓄電池を搭載したEVであれば、晴天時1日分の日射で、約3.1kWhを取り出せる形で蓄電できるとする。これは、時速50kmなら、約47分走行できる電力量に相当する。毎日晴天で、駐停車時および走行時のほとんどでEVが日射下にあり、エアコンなしでしかも1日片道20分ほどの街乗りであれば、電力系統からの充電が要らないことになる。

 Cu2O太陽電池は、銅箔というありふれた材料を基にすることで低コストに製造できると見込まれたことから、古くは1950年代から研究されていた。ところが、2010年までは変換効率は2%台がやっとだった。2011年3月に金沢工業大学がようやく変換効率3.26%を達成。同大学はその後、2012年に同5.38%、2015年に同6.1%、2017年には8%台と急速に変換効率を高めてきたが、この4年間は足踏み状態だった。

 この停滞を破ったのが今回の東芝の発表だ。同社は銅箔ではなく、反応性スパッター装置という半導体では低コストの部類の技術でCu2O層を成膜する。同社が2019年に発表したCu2O太陽電池の変換効率は4.4%だったが、3年足らずで2倍近くに性能を引き上げた。この性能向上は「Cu2O発電層の成膜条件を最適化し、Cuや酸化銅(CuO)といった不純物を抑制した」(東芝)ことで実現したという。

役割分担で高効率・低コストに

 Cu2O太陽電池の理論上の変換効率は約20%とさらに高いが、東芝が主に想定するのは、この太陽電池を単独で使うよりむしろ、結晶Si太陽電池の上に張り付けて使う4端子タンデム太陽電池としての利用だ。

 理由は、Cu2Oのバンドギャップが2.2~2.6eVと、ナトリウム(Na)などを添加しても2eV前後と広いことによる。これは、太陽光のうち、青色~橙(だいだい)色とやや波長が短めの光を吸収して電力に変換することに向いていることを意味する。

 対して、結晶Siはバンドギャップが1.1eVと狭く、橙色~近赤外線が発電に使われている主な波長帯だ。この2種類の材料を用いた太陽電池を組み合わせることでより幅広い波長の光を発電に利用できる。東芝によれば、理論上の変換効率は38.3%だとする。

 化合物半導体を用いた太陽電池ではそうした超高効率を既に実現しているが、価格は一般の太陽電池の数十~数百倍と非現実的なほど高い。一方、Cu2O太陽電池と結晶Si太陽電池から成る4端子タンデムであれば、価格の上昇を最小限に抑えたまま、変換効率を高められる可能性がある。