太阳能电池革命

【太阳能电池的技术革命（ 1）】现有技术的局限性和闭塞性2011/12/21【日中环保生态网】 如今的太阳能电池技术在提高效率和进一步降低成本上已经显示出局限，打破这一局限的关键在于利用完全不同于以往的技术。最近，强关联电子体系材料和等离子体等技术已经开始作为此类技术崭露头角。“ 今后的太阳能电池将利用在根本上有别于传统半导体的技术，从带隙 *1.5eV的束缚下解脱出来 ”—— 日本理化学研究所交差相关物性科学研究团队交差相关超结构研究组组长川崎雅司道出了利用全新技术打破太阳能电池技术现有封闭状况的必要性（图 1） （注 1） 。因为对于利用现有技术已经接近极限的转换效率，采用新技术有望使其一举增加好几倍。图 1： 赶超第 3 代势头猛， 高效率低价格的 “ 第 4 代 ” 太阳能电池技术受到关注图中展示了图 6 的未来。除了长期受到期待的利用量子点和异质多结的 “ 第3 代 ” 太阳能电池技术之外，基本不使用半导体技术的 “ 第 4 代 ” 技术也有可能崛起。第 4 代的理论转换效率可达 80 ％以上。（注 1）川崎先生还是东京大学工学系研究科物理工学专业量子相电子研究中心教授。* 带隙＝半导体中禁带的大小。在光电转换中，有时也略微宽泛地代指材料中电子等载流子能够稳定存在的能级之差。是能够用于发电的光子的能量阈值。只使用部分阳光如今已经投产的多数太阳能电池模块是利用晶体硅型等 “ 第 1 代 ” ，以及薄膜Si 型等 “ 第 2 代 ” 技术制造， 转换效率为 10～ 20％。 为了使转换效率再提高哪怕 1 个百分点，各厂商还在继续进行着开发。但是，从仰仗于改善传统技术的 “ 第 2.5 代 ”技术来看，在这几年内还没有能够飞速提高转换效率的眉目。其原因在于半导体技术在利用阳光上存在局限。 具体来说， 就是太阳能电池转换效率的理论上限基本取决于半导体材料的带隙（图 2）。图 2：半导体的 “ 带隙束缚 ”（ a）是各种半导体材料的带隙及其转换效率的理论上限。均设想为单结型单元。（ b）是得出（ a）中理论上限的理由。上限由带隙对于长波长侧光的损失与对于短波长侧光的损失的平衡决定。在阳光中， 能量低于带隙， 也就是长波长的光线无法用于发电， 全部都属于损耗。另一方面，能量高于带隙太多同样也会增加损耗。这是因为按照一般来说，无论是入射至半导体的光子的能量略高于带隙，还是远高于带隙， 1 个光子激发的电子 -空穴对（激子）都只有 1 组，而且只能获得与带隙相当的电能。光子多余的能量最后会转化成热能丢失。根据上面双方损耗的平衡， 损耗总量最小的， 是带隙在 1.5eV 左右的材料。 但这距离最大限度利用原有阳光能量还相差甚远。因此，带隙只有一个的单结太阳能电池，转换效率最高约为 30％。第 3 代技术也显封闭作为这项课题的解决措施，被称为 “ 第 3 代 ” 的量子点 /量子阱技术，以及叠加种类迥异材料的异质多结技术正在研究之中。但这项技术也早早地出现了封闭的状况。第 3 代技术虽然多样化，但是，如果排除 “ MEG（多重激子产生）型 ” 太阳能电池，这些技术都有一个共通点，即理论基础都是带隙不是一个，通过像多重筛子那样准备多个带隙，吸收多个波带减少损耗（图 3）。因此，有些技术在理论上甚至能够达到 75％的转换效率。图 3：第 3 代太阳能电池的技术与课题现在成功投入实用的只有多结型单元（ a）。中间带型、热载流子型和 MEG型等单元都还在使用量子点和量子阱进行开发（ b～ d ）。但是， 在实际制造的第 3 代太阳能电池中， 还没有转换效率超过现有太阳能电池的先例。而且，形成多级带隙的技术绝大多数需要采用昂贵的材料和非常复杂而且精密的 “ 超晶格 ” 元件结构。制造过程也需要高温、高真空。因此，即使能得到高转换效率，也可能因制造成本增加而得不偿失。某太阳能电池研究员认为，低成本的实用化 “ 估计要在 20 年后，根据情况甚至要等到 30～ 40 多年以后 ” 。另一方面， MEG的带隙仍是只有一个， 能够利用 1 个光子， 按照其能量大小激发出多个激子。虽然是一项超越半导体和利用带隙的传统常识的技术，但因采用比较简单的元件结构，因此有望以低成本实现高转换率。但截至目前，还没有利用实际制造的太阳能电池明确确认到 MEG 可以发电的事例 （注 2） 。（注 2）有为发现 MEG而发电成功的先例。例如，日本电气通信大学丰田太郎、沈青研究室为发现 MEG 正在研究使用涂布工艺制造量子点增感型太阳能电池， 目前已取得 4.92 ％的转换效率。已初步找到发现 MEG 的证据。 （《日经电子》记者：河合基伸、野泽哲生；硅谷支局： Phil Keys） 【日中环保生态网】【太阳能电池的技术革命（ 2）】以新一代电子技术将太阳能电池从半导体中解放2011/12/22 【日中环保生态网】 从零开始汇总技术虽然大举提高转换效率并非易事， 但是太阳能电池的技术开发竞争已经刻不容缓，因此，无论如何首先要进行技术开发。作为打开局面的措施，很多研发活动都是回到原点从头开始探讨太阳能电池的所有可能性。利用能够想到的各种材料进行尝试，其情景堪称百花齐放。其中一些利用旧材料取得的成果连研究人员自身都感到吃惊（参照 “ 旧材料中惊人发现不断 ” ）。另外， 利用与传统半导体技术完全不同的方式实现光电转换， 或着眼于大幅提高转换效率的 “ 第 4 代 ” 技术也陆续出现（图 1，图 4）。开篇提到的挑战带隙束缚的措施可称是其中代表事例。 从原理上来说， 可实现超过第 3 代技术的 80％以上的转换效率， 和几日元 /W 的超低成本。 虽然目前很多新技术还处于研究开发阶段， 但也许会超越第 3 代，一跃成为太阳能电池技术的主角。成为新一代电子学的基础第 4 代技术大致分成 3 类（图 4）。具体包括：①使用 “ 强关联电子体系 ” 材料的技术；②使用 “ 等离子体 ” 的技术；③使用波长转换材料的技术。这些技术都不局限于太阳能电池，还可以延伸到蓄电池、光 LSI 等新一代电子学和光学产品，是应用范围广泛的技术。图 4：利用不使用半导体的技术实现 “ 高效率、低成本 ”第 4 代太阳能电池技术的三个方法已显示出各自的效果。强关联电子体系材料是用于开发全新的太阳能电池的材料。与之相比，采用等离子体和波长转换技术有望使太阳能电池在原有技术的条件下提高转换效率。①强关联电子体系材料类似于冰受热融化成水，是通过光、电场、压力等微小的能量交换， 使材料的状态从绝缘体高速转换成金属或导电体的一类材料 （图 5） 。以材料举例的话，这种材料大多是 PCMO*等锰类氧化物、 TaOx 等含有过渡金属的氧化物。但也包括 TCNQ*等有机材料。图 5：利用氧化物相变使光能转化成电能MEG 在电子间相关大的条件下才会产生 （ a）。电子间相关强烈的强关联电子体系氧化物会发生类似于 MEG 的 MCG 现象（ b ）。在该现象中， 1 个光子能够激发出 hv/0.3eV 个的电子和空穴的等离子 （ hv 为 1 个光子的能量） 。如果能使电子与空穴分离，从电极中取出，那么就能实现把阳光的绝大多数能量转变成电能的太阳能电池（ c）。图为《日经电子》根据理化学研究所十仓研究团队的资料制作。*PCMO＝由稀土类元素镨（ Pr）、钙（ Ca）、锰（ Mn）和氧（ O）组成的氧化物。结构为 Pr0.5Ca0.5MnO3 时是稳定的绝缘体，但略微改变结构，并略微增加了一点锶（ Sr） 的 Pr0.55（ Ca0.8Sr0.2） 0.45MnO3很容易产生相变。 理化学研究所十仓团队的 ReRAM方案使用了 PCMO。*TCNQ（四氰基对苯二醌二甲烷） ＝ n 型有机半导体材料之一。 化学式为 （ NC） 2CC6H4C（ CN） 2。其实，高温超导和即将投入实用的可变电阻式存储器（ ReRAM）使用的材料也是强关联电子体系材料的一种。可说是应用于各种领域的可能性高，很大程度影响今后电子学发展方向的材料。在日本，理化学研究所的十仓好纪团队正以在各种领域应用为目标， 进行着强关联电子体系材料的研究 （参照 “ 电子技术因强关联电子体系而改 ” ）。前面提到的川崎也是十仓团队的一员。②等离子体是利用金属表面上光与电子的共振状态的技术。利用这项技术的目的在于大幅提高光的利用效率。这项技术也不局限于太阳能电池，包括超高效率 LED、有机 EL、光 LSI 和分子间光通信在内，在电与光的交界领域正在开展各种应用研究（参照 “ 进入利用光实现电技术的时代 ” ） 。而③是使用把紫外线和红外线转换成可见光的波长转换材料的方法。 可说是现有萤光材料的进化形态，很有可能对显示器、照明、医疗等广泛领域产生很大的波及效应。光使 “ 电子晶体 ” 融解下面详细介绍一下这三项新一代技术和开发示例。 首先， 强关联电子体系材料没有取决于半导体带隙的转换效率极限，能够把阳光的大部分能量转化成电能。具体来说，当光子照射到强关联电子体系材料时，会发生 “ 光诱导相变 ” 现象，在之前是绝缘体的材料上，会有微小的区域转变成金属性质（图 5） 。与冰等固体融化成液体的差异在于发生变化的不是原子排列，而是电子束团的动态和能量状态。也就是产生了 “ 电子晶体在光的作用下融解为电子液体 ” （理研川崎）的现象。电子晶体融解区域与绝缘体区域的能差大约为 0.3eV，具体数字因材料而异。融解区域处于电子和空穴的等离子状态，而且会随着光子能量的增加而扩大。假设光子的能量为 1.5eV，那么最多可以生成 5 组电子和空穴的等离子，如果是 3eV 的光子， 则最多可以生成相当于 10 组电子和空穴的等离子。 强关联电子体系材料的研究人员称之为 “ 多载流子激发（ MCG） ” 。MCG 的原理与使用半导体的 MEG 型太阳能电池的发电原理相似 （图 3（ d） ） 。川崎称，实际上， “ MEG与 MCG 都是发生在电子间关联强烈的状态下 ” 。二者当然也有差异。除了带隙、相变等物理机制不同外， MEG 会形成电子与空穴结合强的激子， MCG形成的则是结合弱的等离子。因此，在原理上来说， MCG似乎更容易实现转换效率高的光电转换。如果能够实现以 MCG 为基础的太阳能电池，那么也有希望实现利用热辐射发电的太阳能电池，甚至超越第 3 代的超高效率太阳能电池。因为生成等离子的阈值0.3eV 的光线波长约为 4.1 μm ， 已达到基本无法使用半导体的中红外区域 （注 3 ） 。 也就是说，比半导体可利用更广泛波长的阳光（图 5（ c） ） 。（注 3） 2010 年 6 月， IMEC 开发出了利用辐射热发电的光电转换元件。使用的半导体带隙约为 0.67eV， 能够利用波长约为 1.8 μm 以下的近红外区域的光发电。 （ 《日经电子》记者：河合基伸、野泽哲生；硅谷支局： Phil Keys）【太阳能电池的技术革命（ 3）】课题攻关确定方向，开发新材料实现超低成本2011/12/26 【日中环保生态网】 载流子的激发成为课题当然， 利用强关联电子体系材料实现太阳能电池还面临着诸多课题。 目前， 理研十仓团队主要开展的是在数十 K 以下的极低温实验。 MCG虽然已经得到确认， 但还没有成功地在不加载外部电压的情况下利用 1 个光子使电极释放出多个电子。理研川崎表示： “ 还不到谈具体转换效率目标的阶段。 ” 眼下最大的课题是开发载流子激发技术。 因为强关联电子体系材料本身不具备分离电子与空穴的机理，所以需要相应的调整。另一方面，在半导体材料太阳能电池中， p-n 结同时担负着生成和分离电子 — 空穴对的职责。因此，川崎等人为了使电子与空穴分离，决定部分采取半导体 p-n 结的机制。川崎且干劲十足地表示： “ 我们目前正在着手开发带结构。希望在 1～ 2 年内证明 1个光子能够激发出 2 个以上的电子。 ” 能否实现几日元 /W 的太阳能电池 ？以开发使用强关联电子体系材料的太阳能电池为目标的不只是理研。 冈山大学研究生院自然科学研究系尖端基础科学专业教授池田直的研究组正在着手研究利用在某种氧化铁中添加稀土类元素（ R）的铁电体材料 RFe2O4，开发制造时材料成本非常低的太阳能电池（图 6） （注 4） 。图 6：能否利用氧化铁实现低价格太阳能电池上图表示了冈山大学池田研究室开发的属于氧化铁强关联电子体系材料“ RFe2O4” 的光电转换原理（ a），和实际试制的太阳能电池单元（ b）。设想采用卷对卷方式进行量产。单从材料费来看，甚至可以实现 5 日元 /W 极低的制造成本。（注 4）介电常数为 5000～ 10 万。材料没有正式名称，但已经注册了 “ 绿色铁氧体 ”的商标。这种材料与理研开发的材料一样， 是电子排列会在能量约为 0.3eV 的光线的激发下发生变化，使导电性大幅下降的强关联电子体系材料 （注 5） 。池田于 2005 年使用加速器 “ SPring-8” 发现， RFe2O4 在室温下也具有这种性质。 池田研发组从 2008 年起接受新能源产业技术综合开发机构（ NEDO）的经费补助，最近又接受倍乐生控股的支援，正在致力于开发太阳能电池。(注 5）在 RFe2O4 之中，由 Fe 离子组成的三角形层状重叠。 Fe 离子中 Fe2+ 和 Fe3+混杂，其数量和配置随电子分布变化，因此能够形成各种能量状态。在 “ 基底状态 ”下是绝缘体，但照射 0.3eV 以上的光线后会发生跃迁，成为金属性。已经试制出了若干种元件。 这些元件的光吸收系数是公认较高的 CIS 类太阳能电池的好几倍，在中红外区域附近也相当高。作为太阳能电池的输出功率虽低，但也可以检测到。与理研一样， MCG 虽然还在验证阶段，但池田表示： “ 与追逐超高效率相比，只要转换效率超过 10％就足以令人满意，总而言之，我们希望开发出低成本的太阳能电池。 ” 按照池田的计算，因为材料大部分是氧化铁，所以 R 使用钇（ Y）时，材料费只需 500 日元 /m 2。而且设想是使用卷对卷和喷涂方法，以低成本进行批量生产 （注 6） 。（注 6） 这种喷涂方法是指产业技术综合研究所明渡纯开发的 “ 气溶胶沉积 （ AD） 法 ” 。（记者：河合 基伸、野泽 哲生、 Phil Keys ＝硅谷支局） 【日中环保生态网】【太阳能电池的技术革命（ 4）】利用新技术提高已有性能，研发新材料实现波长转换2011/12/27 打印 E-mail【日中环保生态网】 提高现有太阳能电池的性能第 4 代太阳能电池技术等离子体是一类利用光与电子的密度波 （等离子体） 在金属与介电体的界面上共振发生 “ 表面等离子体激元（ SPP） ” 这一现象的技术。与强关联电子体系材料不同，相对于开发全新的太阳能电池，这项技术能够大幅提升现有太阳能电池的性能，因此备受期待（图 7）。应用方式包括大幅削减厚达 100μ ～200 μm 的晶体硅类太阳能电池的厚度，提高有机薄膜太阳能电池的转换效率等。目前还有使有机薄膜太阳能电池的电流增加 20％的案例。图 7：利用等离子体让太阳能电池更薄、效率更高图中表示了把等离子体应用于太阳能电池可以期待的效果。晶体硅型太阳能电池等需要一定厚度的单元可以变薄。有机薄膜太阳能电池等薄型单元有望提高转换效率（ b）。迄今的几项课题也找到了解决的头绪。 具体来说， 已在很大程度上接近解决可利用 “ 光的波长区域狭小 ” 、 “ 损耗大 ” 这两项课题。光波长区域狭小是因为 SPP是共振现象。光与 SPP的接口一般使用周期性排列的金属片。 这种金属片的尺寸和间隔基本决定了 SPP的光吸收频率 （图 8（ a） ） 。在通信等光线波长固定的用途上，这反而是优点，但对于希望尽可能扩大波长区域的太阳能电池来说，这成了压制转换效率的因素。图 8：从利用特定波长向利用各种波长进化周期性排列金属片的等离子体共振接口只能利用狭小范围的光（ a）。九州大学的冈本通过采用随机排列金属片方式，实现了可利用绝大部分阳光（ b）。对此，北海道大学电子科学研究所教授三泽弘明的研究组开发出了把金属片制成长方形，借此实现多个光吸收峰的技术。比方说，在可见光区域和近红外领域可以分别形成吸收峰 （注 7） 。这与无线通信领域中支持多频带的宽带天线的设计方针相同。（注 7）三泽研究室正在研究使用 SPP接口替代色素增敏型太阳能电池的色素，利用近红外区域的阳光进行光电转换的元件。利用绝大部分阳光另一方面， 九州大学先导物质科学研究所教授玉田薫与副教授冈本晃一开发出也不属于无线通信领域的方法。玉田等人注意到，当把大量的周期结构重叠后，最终会出现随机现象。因此，他们把过去缜密设计周期，利用电子束（ EB）光刻制作的 SPP的接口改换成了铺满银（ Ag）纳米粒子的 Ag 层。经确认，从可见光到近红外光，这种 SPP接口可以利用的波长十分广泛（图 8（ b） ） 。 Ag 层可以在对醋酸银进行化学处理，使其漂浮在水面上，通过像抄纸一样捞起的方法制作。九州大学冈本表示，今后该研究组将依照 “ 利用 Ag 层吸收全部阳光，从 SPP直接形成激子的战略 ” 开展研究开发，从而达到提高太阳能电池转换效率的目的。对于等离子体的另一项课题损耗， 该研究组也在进行分析， 逐步拟定开发低损耗材料的方针。冈本称，从得出的结论来看， “ 金属材料只要采用 Au、 Ag、 Cu，损耗就足够小 ” 。 Ag 更是在短波长区域损耗也非常小。研发理想的波长转换技术屡屡失败关于第 4 代太阳能电池技术的波长转换材料， 因为技术开发的结果可能造成轰动，众多企业都在暗中进行着研究。如果阳光能够毫无损耗地转换成需要的波长，那么，即使不勉强增加半导体带隙的级数、不采用 MEG 和 MCG，也可大幅度提升转换效率，这是其一大优势。在太阳能电池以外的领域， 波长转换材料已经有很多实用事例。 例如荧光灯和LED 使用的荧光材料，或者是 PDP等使用的铕（ Eu）等荧光材料等等。但这种材料无法直接应用于太阳能电池。原因是其存在着对可见光的光透射率低，或者是对紫外线和热的耐久性差等课题。即便是在过去开发出号称划时代的波长转换材料，也大多因为满足不了这些课题中的某一项所要求的条件而销声匿迹。不使用稀土类的有机材料成为热门候选在最近的热门候选中，有秋田大学讲师辻内裕开发的能够把紫外线转换成475nm 和 500nm 可见光的有机材料 （图 9） 。 因为不使用稀有金属和稀土类元素，这种材料有望以低成本制造，而且耐热性好，与传统材料截然不同。辻内表示，即使受紫外线 “ 照射 1 年这种材料也没有发生劣化 ” 。图 9：把光转换成需要的波长秋田大学的辻内开发出了能够把紫外线转换成蓝色和绿色光，并且对可见光透明度高的荧光材料（ a）。斯坦福大学与博世公司开发出了利用色素把绿色光转换成蓝色的材料（ b ）。因为可以贴在太阳能电池的背面使用，所以不受可见光透射率的影响。同样也有研究机构在研究如何把长波长光线转换成短波长光线。美国斯坦福大学材料科学系助理教授珍妮佛 ?迪翁（ Jennifer Dionne ）的研究室与德国博世合作开发出了由两种色素组成，能够把绿色光转变成蓝色的材料。目标是把红外区域的光转变成可见光。因为波长转换层设置在太阳能电池背面，所以还具有透明度不影响转换效率的优势。迪翁研究组的学生 Ashwin Atre 表示， “ 甚至连我们自己也为技术的可能性感到兴奋 ” 。 迪翁也是等离子体专家， 她采用的是把等离子体与波长转换技术相结合，提高光利用效率的战略。进入利用光实现电子技术的时代等离子体可以说是将迄今各自独立的电子技术和光学技术融合起来的领域。 尤其是很有可能利用光学领域的频率逐步实现应用领域广泛的电子技术。首次尝试这种应用的可说是广岛大学研究生院尖端物质科学研究系教授角屋丰的研究团队在 2010 年开发的 “ 光八木宇田天线 ” 。这种天线是 1925 年东北帝国大学（现东北大学） 教授八木秀次等人提出的八木宇田天线的小型版（图 B-1）。但天线元件的长度反映了局部等离子体的性质，不到光波长的几分之一。角屋表示，“ （这种天线）参考了生物体中的分子间通信 ” 。元件尺寸的缩小在光 LSI 等领域也将成为一大优势。包括在太阳能电池中的应用在内，几乎可以确定这种天线在今后会取得很大发展。 （ 《日经电子》 记者： 河合基伸、 野泽哲生； 硅谷支局： Phil Keys）【日中环保生态网】图 B-1： “ 八木宇田天线 ” 将能接收光信号广岛大学角屋研究室在基本未做改变的条件下缩小了用于接收电视信号的八木宇田天线（ A）。经确认，该天线能够以接近设计值的指向性收发光信号（ b）。（图：广岛大学角屋研究室）【太阳能电池的技术革命（ 5）】电子技术因强关联电子体系而改变2011/12/28【日中环保生态网】 一说 “ 强关联电子体系材料 ” 就能领会的人究竟有多少呢？虽说不熟悉这个词，但一提到高温超导材料和 ReRAM 材料，或许会有些印象吧。今后听到这种材料的机会恐怕会越来越多。因为这种材料应用范围广泛，正在逐渐威胁到过去作为电子技术主角的半导体的宝座。其实， 强关联电子体系材料在量子力学的 “ 波粒二象性 ” 上与半导体材料对照鲜明。具体来说，半导体是从大学里学到的 “ Bloch状态 ” 出发。这是把金属和半导体中的电子视为 “ 波 ” 的角度，带隙等概念也是来源于此。而强关联电子体系材料的分析把电子视为 “ 粒子 ” 。与 Bloch 状态相对，处于“ Mott状态 ” ，衍生出了 “ 电子晶体 ” 、 “ 电子液晶 ” 、 “ 电子液体 ” 等概念。理化学研究所的川崎认为，从现在开始，思考 Mott 状态材料的应用将成为电子技术的主流。川崎表示： “ 如今大学已经把未来发展空间小的 Bloch 状态作为自学内容， 不再进行教授， 教授的是 Mott 状态。 对于学生来说， Mott 状态是自然存在。 ” 过去的电子技术是偏重于 Bloch 状态材料的技术体系。 即便如此， Mott 状态也已经有了若干的应用案例（图 A-1）。采用铁电体、铁磁体、压电材料的领域就属于此列，成为电子技术重要器件的先例也为数不少。强关联电子体系材料是令铁电性和铁磁性等各种效应实现飞跃式发展的材料。因为主角是电子的强关联电子体系材料具备只需外部微弱的刺激，就能快速切换状态的特征。图 A-1：强关联电子体系材料成为新一代电子技术的摇篮铁电性、铁磁性、压电效应等材料特性已经有诸多的应用先例（ A）。这些特性也叫做铁性（ ferroic ）。 强关联电子体系材料只需很少的能量和刺激就能表现出巨大的铁性（ b）。理研基础研究所交差相关特性科学研究组强相关量子科学研究组组长十仓好纪把强相关电子材料的 4 个应用领域称为 “ 创新 ,4? ”，正在重点进行研发。这四个领域具体包括：①转换效率为 40％以上的太阳能电池、② ZT 指数为 4 以上的热电转换元件、③温度在 400K 以上时也能实现的超导、④能量密度为 400Wh/kg 以上的蓄电池。无论是哪个领域，只要能够实现，都很可能大幅改善社会的能源问题。而且，随着对某个领域认识的加深，通过利用这些知识，其他领域的技术开发也将加快。（《日经电子》记者：河合基伸、野泽哲生；硅谷支局： Phil Keys） 【日中环保生态网】【太阳能电池的技术革命（ 6）】旧材料中惊人发现不断2011/12/29 【日中环保生态网】 在开发太阳能电池的历史中， 虽是研究热点但没有成果的材料、在太阳能电池应用中不受重视的材料数不胜数。但在最近，却出现了不少有望利用此类材料实现突破的成果。其中之一是使用 p 型半导体亚氧化铜（ Cu2O）的太阳能电池。这种材料从 20世纪 50 年代开始曾掀起过一股研究热潮， 但转换效率长期停滞在 1％左右， 到 2010年才总算达到 2％水平。与之相对，金泽工业大学教授南内嗣与宫田俊弘的研究团队在 2011 年 3 月实现了 4.17％的转换效率，约是过去的 2 倍（图 C-1）。图 C-1：廉价的 Cu 箔制成太阳能电池金泽工业大学南宫田研究室利用市面上销售的 Cu 箔、 ZnO 等廉价材料和室温加工制造出了转换效率超过 4％的太阳能电池 （ A） 。 因为带隙高达 2.1eV ，所以红光可以透过（ b）。加工温度越低效率越高这种 Cu2O 太阳能电池是在烧制 Cu 箔制成的 Cu2O 基板上叠加了厚度为 50nm的 n 型半导体 ZnO。其本身并无特别之处，转换效率之所以实现了飙升，是因为加工温度从适合 ZnO 叠加的 150～ 200℃降低到了室温。宫田称： “ 重点在于如何在叠加 ZnO 时不伤及 Cu2O 的表面。为此采用脉冲激光沉积法（ PLD），花费约 1 个小时逐层沉积 ZnO，实现了这一要求。 ” 从 Cu2O 的奋战史来看， 转换效率 4.17％高的出奇。 但与现有的太阳能电池相比却算不上高。宫田强调， “ 如果贴上防反射（ AR）膜，转换效率应该可以达到 5％水平 ” ，并且还强调了材料成本的低廉。他表示： “ 今后在太阳能电池领域，如果不争取节省每一日元，就无法从竞争中取胜。成本竞争力最终由材料费和电费决定。使用的 Cu 箔的价格很低， 几十厘米见方只要几百日元。 ” 而且， 除了单独使用 Cu2O太阳能电池，宫田等人还在思考将其与其他太阳能电池贴合使用。宫田说： “ Cu2O的带隙约为 2eV，比较大。如果与带隙狭小的其他薄膜太阳能电池组合成随机型和3 结型，转换效率就有望达到 15～ 20％。 ” 硫化铁最大 36 结利用廉价材料并非只此而已。例如，瑞士 NLV SolAr 于 2009 年发表了 “ 黄铁矿太阳能电池 ” 。其目的是利用硫化铁的一种 —— 黄铁矿（ Cu2O）这种非常廉价的材料，开发出高转换效率的太阳能电池。 Cu2O 与 Cu2O 一样是经过了长期研究的材料，但一直存在导电性低的课题。NLV SolAr 表示，通过在 FeS2 中添加磷（ P）、硼（ B）和其他元素，就可以解决导电性和载流子迁移率的课题，而且能够形成各种各样的带隙。如果只向 1 种半导体材料中添加就能实现任意的带隙，那么制作多结型太阳能电池就会变得相当简单。按照该公司的计算，通过制造最大 36 结的太阳能电池， “ 可以实现转换效率为 38～ 50％ ” （图 C-2）。但截至目前，该公司尚未公布添加能够控制带隙的理由，以及实际制造的太阳能电池的测定结果。图 C-2：同一半导体材料利用全部波长的光NLV SolAr 展示了正在开发的把 Cu2O 作为半导体材料使用的超多结单元的结构。其特征是全部 p-n 结都采用 Cu2O。无量子点的中间带型太阳能电池？除了 Cu2O，似乎还有其他只需 1 种半导体材料即可轻松改变带隙的材料。京都工艺纤维大学副教授园田早纪在 2010 年 3 月的第 57 届应用物理学相关联合演讲会上宣布，通过改变氮化镓（ GaN）中添加的 3d 过渡元素的种类和浓度，可以在紫外到近红外之间控制 GaN 的吸收波长。例如，据园田称， “ 添加了镍（ Ni）的 GaN吸收的波长 1.6 μm 的近红外线 ” 。园田表示这个现象是在自旋电子学实验中偶然发现的， “ 在检测电阻时， （我）发现随着荧光灯光线照射方式的不同，数值会发生变化 ” 。使用在 GaN 中添加了钴（ Co）的材料试制太阳能电池进行评价的结果显示，该材料具有光电转换功能（图 C-3）。虽然电流小，效率还不算高，但已经得到了超过 2V 的开放电压。关于可以控制带隙的原理，正在验证 GaN 因添加而形成中间带结构的假设。 （《日经电子》记者：河合基伸、野泽哲生；硅谷支局： Phil Keys）【日中环保生态网】图 C-3：利用 GaN 和过渡金属实现各种带隙（ A）是京都工艺纤维大学园田研究室开发的把 GaN 作为半导体材料的太阳能电池。 通过改变添加的 3d 过渡金属的浓度和种类， 可以实现各种带隙。有可能通过添加形成了中间带（ b）。