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【太陽能電池的技術(shù)革命(1)】現(xiàn)有技術(shù)的局限性和閉塞性

   2011-12-22 30900
核心提示:如今的太陽能電池技術(shù)在提高效率和進(jìn)一步降低成本上已經(jīng)顯示出局限,打破這一局限的關(guān)鍵在于利用完全不同于以往的技術(shù)。最近,強(qiáng)關(guān)聯(lián)
如今的太陽能電池技術(shù)在提高效率和進(jìn)一步降低成本上已經(jīng)顯示出局限,打破這一局限的關(guān)鍵在于利用完全不同于以往的技術(shù)。最近,強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料和等離子體等技術(shù)已經(jīng)開始作為此類技術(shù)嶄露頭角。

        “今后的太陽能電池將利用在根本上有別于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的技術(shù),從帶隙*1.5eV的束縛下解脫出來”——日本理化學(xué)研究所交差相關(guān)物性科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)交差相關(guān)超結(jié)構(gòu)研究組組長(zhǎng)川崎雅司道出了利用全新技術(shù)打破太陽能電池技術(shù)現(xiàn)有封閉狀況的必要性(圖1)(注1)。因?yàn)閷?duì)于利用現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)接近極限的轉(zhuǎn)換效率,采用新技術(shù)有望使其一舉增加好幾倍。

圖1:趕超第3代勢(shì)頭猛,高效率低價(jià)格的“第4代”太陽能電池技術(shù)受到關(guān)注
圖中展示了圖6的未來。除了長(zhǎng)期受到期待的利用量子點(diǎn)和異質(zhì)多結(jié)的“第3代”太陽能電池技術(shù)之外,基本不使用半導(dǎo)體技術(shù)的“第4代”技術(shù)也有可能崛起。第4代的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上。


(注1)川崎先生還是東京大學(xué)工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)量子相電子研究中心教授。

        *帶隙=半導(dǎo)體中禁帶的大小。在光電轉(zhuǎn)換中,有時(shí)也略微寬泛地代指材料中電子等載流子能夠穩(wěn)定存在的能級(jí)之差。是能夠用于發(fā)電的光子的能量閾值。

只使用部分陽光

        如今已經(jīng)投產(chǎn)的多數(shù)太陽能電池模塊是利用晶體硅型等“第1代”,以及薄膜Si型等“第2代”技術(shù)制造,轉(zhuǎn)換效率為10~20%。為了使轉(zhuǎn)換效率再提高哪怕1個(gè)百分點(diǎn),各廠商還在繼續(xù)進(jìn)行著開發(fā)。但是,從仰仗于改善傳統(tǒng)技術(shù)的“第2.5代”技術(shù)來看,在這幾年內(nèi)還沒有能夠飛速提高轉(zhuǎn)換效率的眉目。

        其原因在于半導(dǎo)體技術(shù)在利用陽光上存在局限。具體來說,就是太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限基本取決于半導(dǎo)體材料的帶隙(圖2)。

圖2:半導(dǎo)體的“帶隙束縛”
(a)是各種半導(dǎo)體材料的帶隙及其轉(zhuǎn)換效率的理論上限。均設(shè)想為單結(jié)型單元。(b)是得出(a)中理論上限的理由。上限由帶隙對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)光的損失與對(duì)于短波長(zhǎng)側(cè)光的損失的平衡決定。

        在陽光中,能量低于帶隙,也就是長(zhǎng)波長(zhǎng)的光線無法用于發(fā)電,全部都屬于損耗。另一方面,能量高于帶隙太多同樣也會(huì)增加損耗。這是因?yàn)榘凑找话銇碚f,無論是入射至半導(dǎo)體的光子的能量略高于帶隙,還是遠(yuǎn)高于帶隙,1個(gè)光子激發(fā)的電子-空穴對(duì)(激子)都只有1組,而且只能獲得與帶隙相當(dāng)?shù)碾娔堋9庾佣嘤嗟哪芰孔詈髸?huì)轉(zhuǎn)化成熱能丟失。

        根據(jù)上面雙方損耗的平衡,損耗總量最小的,是帶隙在1.5eV左右的材料。但這距離最大限度利用原有陽光能量還相差甚遠(yuǎn)。因此,帶隙只有一個(gè)的單結(jié)太陽能電池,轉(zhuǎn)換效率最高約為30%。

第3代技術(shù)也顯封閉

        作為這項(xiàng)課題的解決措施,被稱為“第3代”的量子點(diǎn)/量子阱技術(shù),以及疊加種類迥異材料的異質(zhì)多結(jié)技術(shù)正在研究之中。但這項(xiàng)技術(shù)也早早地出現(xiàn)了封閉的狀況。

        第3代技術(shù)雖然多樣化,但是,如果排除“MEG(多重激子產(chǎn)生)型”太陽能電池,這些技術(shù)都有一個(gè)共通點(diǎn),即理論基礎(chǔ)都是帶隙不是一個(gè),通過像多重篩子那樣準(zhǔn)備多個(gè)帶隙,吸收多個(gè)波帶減少損耗(圖3)。因此,有些技術(shù)在理論上甚至能夠達(dá)到75%的轉(zhuǎn)換效率。

圖3:第3代太陽能電池的技術(shù)與課題
現(xiàn)在成功投入實(shí)用的只有多結(jié)型單元(a)。中間帶型、熱載流子型和MEG型等單元都還在使用量子點(diǎn)和量子阱進(jìn)行開發(fā)(b~d)。

        但是,在實(shí)際制造的第3代太陽能電池中,還沒有轉(zhuǎn)換效率超過現(xiàn)有太陽能電池的先例。而且,形成多級(jí)帶隙的技術(shù)絕大多數(shù)需要采用昂貴的材料和非常復(fù)雜而且精密的“超晶格”元件結(jié)構(gòu)。制造過程也需要高溫、高真空。因此,即使能得到高轉(zhuǎn)換效率,也可能因制造成本增加而得不償失。某太陽能電池研究員認(rèn)為,低成本的實(shí)用化“估計(jì)要在20年后,根據(jù)情況甚至要等到30~40多年以后”。

        另一方面,MEG的帶隙仍是只有一個(gè),能夠利用1個(gè)光子,按照其能量大小激發(fā)出多個(gè)激子。雖然是一項(xiàng)超越半導(dǎo)體和利用帶隙的傳統(tǒng)常識(shí)的技術(shù),但因采用比較簡(jiǎn)單的元件結(jié)構(gòu),因此有望以低成本實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換率。但截至目前,還沒有利用實(shí)際制造的太陽能電池明確確認(rèn)到MEG可以發(fā)電的事例(注2)

(注2)有為發(fā)現(xiàn)MEG而發(fā)電成功的先例。例如,日本電氣通信大學(xué)豐田太郎、沈青研究室為發(fā)現(xiàn)MEG正在研究使用涂布工藝制造量子點(diǎn)增感型太陽能電池,目前已取得4.92%的轉(zhuǎn)換效率。已初步找到發(fā)現(xiàn)MEG的證據(jù)。(《日經(jīng)電子》記者:河合基伸、野澤哲生;硅谷支局:Phil Keys)
 
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