【太阳能电池的技术革命（1）】现有技术的局限性和闭塞性

索比光伏网讯: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）
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