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“全球首次試制出了量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池模塊。計(jì)劃2020年前后通過(guò)改良實(shí)現(xiàn)40％以上的模塊轉(zhuǎn)換效率”——東京大學(xué)尖端科學(xué)技術(shù)研究中心教授岡田至崇。
東京大學(xué)全球首次試制的是配備4個(gè)量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池單元的模塊。采用將12cm見方的聚光鏡聚集的太陽(yáng)光傳遞到5.5mm見方的各單元中的構(gòu)造。臺(tái)灣行政院原子能委員會(huì)核能研究所在105倍聚光狀態(tài)下，測(cè)量到的模塊轉(zhuǎn)換效率為15.3％（圖1）。
此前美國(guó)Cyrium Technologies公司采用量子點(diǎn)的單元已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。不過(guò)那是為了增加化合物多接合型太陽(yáng)能電池單元的電流量而插入的單元，量子點(diǎn)只發(fā)揮輔助作用。當(dāng)時(shí)利用了改變量子點(diǎn)直徑控制吸收波長(zhǎng)的“量子尺寸效應(yīng)”。
而東京大學(xué)成果的特點(diǎn)是利用了通過(guò)使量子點(diǎn)間進(jìn)行電子耦合而產(chǎn)生的“中間帶”。在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間形成中間帶，使之成為電子的新激發(fā)路徑，從而增加發(fā)電量。此次在GaAs母材中形成了5層InAs量子點(diǎn)，確認(rèn)可以作為中間帶發(fā)揮作用（圖2）。該材料系的單元轉(zhuǎn)換效率的理論極限值高達(dá)50％左右。
2012年內(nèi)超過(guò)20％
不過(guò)，無(wú)論理論極限值有多高，此次的模塊轉(zhuǎn)換效率也只不過(guò)才達(dá)到與普通的結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池模塊相同的水平。對(duì)此，岡田自信地表示，“存在的問(wèn)題已經(jīng)明確，能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)結(jié)晶硅型的成果”。目前正為下一次測(cè)量試制新的單元。
目前在推進(jìn)的舉措包括：（1）降低單元連接電極的布線接觸電阻；（2）為抑制發(fā)熱導(dǎo)致效率降低，縮小單元尺寸減少各單元的電流量；（3）為增加量子點(diǎn)數(shù)量，將量子點(diǎn)層數(shù)增至20～25層。通過(guò)這些舉措，2012年內(nèi)模塊轉(zhuǎn)換效率將超過(guò)20％（圖3）。另外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)單元的小型化，可縮短聚光鏡的焦點(diǎn)距離，因此還能減薄模塊厚度。
計(jì)劃通過(guò)追加二次聚光鏡等在2015年之前使模塊轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25％，2020年前后超過(guò)40％。要想超過(guò)40％，需要考慮進(jìn)一步該如何改善，比如進(jìn)一步增加量子點(diǎn)數(shù)量、在背面追加反射層、將母材變更為InGaP等來(lái)提高聚光倍率。其中，背面反射層目前正是實(shí)施準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。
低成本制造超高效率的模塊
量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)有化合物多接合型太陽(yáng)能電池。化合物多接合型太陽(yáng)能電池已經(jīng)得到了人造衛(wèi)星等的采用，目前聚光時(shí)的模塊轉(zhuǎn)換效率約為30％。但制造成本較高，在地面上沒(méi)有得到廣泛普及。另外還存在一大課題，即需要根據(jù)因地區(qū)而異的太陽(yáng)光波長(zhǎng)進(jìn)行定制。
而量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池正在推進(jìn)通過(guò)涂布等方法形成量子點(diǎn)的研究。如果能與該成果相結(jié)合，“就有望以低成本制造超高效率的柔性模塊”（岡田）。今后在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，還考慮在室外設(shè)置模塊，確認(rèn)年發(fā)電量的優(yōu)勢(shì)性。（記者：河合 基伸）
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| 從模塊上部看單元時(shí) |
東京大學(xué)全球首次試制的是配備4個(gè)量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池單元的模塊。采用將12cm見方的聚光鏡聚集的太陽(yáng)光傳遞到5.5mm見方的各單元中的構(gòu)造。臺(tái)灣行政院原子能委員會(huì)核能研究所在105倍聚光狀態(tài)下，測(cè)量到的模塊轉(zhuǎn)換效率為15.3％（圖1）。
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| 圖1：試制模塊，測(cè)量轉(zhuǎn)換效率 東京大學(xué)試制了配備4個(gè)量子點(diǎn)單元的模塊，測(cè)量了轉(zhuǎn)換效率。為進(jìn)行比較，在模塊的另一半配備了4個(gè)GaAs單元。（圖由本刊根據(jù)東京大學(xué)的資料制作） |
此前美國(guó)Cyrium Technologies公司采用量子點(diǎn)的單元已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。不過(guò)那是為了增加化合物多接合型太陽(yáng)能電池單元的電流量而插入的單元，量子點(diǎn)只發(fā)揮輔助作用。當(dāng)時(shí)利用了改變量子點(diǎn)直徑控制吸收波長(zhǎng)的“量子尺寸效應(yīng)”。
而東京大學(xué)成果的特點(diǎn)是利用了通過(guò)使量子點(diǎn)間進(jìn)行電子耦合而產(chǎn)生的“中間帶”。在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間形成中間帶，使之成為電子的新激發(fā)路徑，從而增加發(fā)電量。此次在GaAs母材中形成了5層InAs量子點(diǎn)，確認(rèn)可以作為中間帶發(fā)揮作用（圖2）。該材料系的單元轉(zhuǎn)換效率的理論極限值高達(dá)50％左右。
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| 圖2：形成5層量子點(diǎn)層 在GaAs基板上形成了5層InAs量子點(diǎn)層（a）。有量子點(diǎn)的模塊增加了開路電壓，確認(rèn)了量子點(diǎn)的功能（b）。（圖由本刊根據(jù)東京大學(xué)的資料制作） |
2012年內(nèi)超過(guò)20％
不過(guò)，無(wú)論理論極限值有多高，此次的模塊轉(zhuǎn)換效率也只不過(guò)才達(dá)到與普通的結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池模塊相同的水平。對(duì)此，岡田自信地表示，“存在的問(wèn)題已經(jīng)明確，能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)結(jié)晶硅型的成果”。目前正為下一次測(cè)量試制新的單元。
目前在推進(jìn)的舉措包括：（1）降低單元連接電極的布線接觸電阻；（2）為抑制發(fā)熱導(dǎo)致效率降低，縮小單元尺寸減少各單元的電流量；（3）為增加量子點(diǎn)數(shù)量，將量子點(diǎn)層數(shù)增至20～25層。通過(guò)這些舉措，2012年內(nèi)模塊轉(zhuǎn)換效率將超過(guò)20％（圖3）。另外，通過(guò)實(shí)現(xiàn)單元的小型化，可縮短聚光鏡的焦點(diǎn)距離，因此還能減薄模塊厚度。
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| 圖3：計(jì)劃2020年使模塊轉(zhuǎn)換效率超過(guò)40％ 東京大學(xué)計(jì)劃2012年內(nèi)使模塊轉(zhuǎn)換效率超過(guò)20％，2015年之前提高到25％以上。另外，目標(biāo)是2020年超過(guò)40％。 |
計(jì)劃通過(guò)追加二次聚光鏡等在2015年之前使模塊轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25％，2020年前后超過(guò)40％。要想超過(guò)40％，需要考慮進(jìn)一步該如何改善，比如進(jìn)一步增加量子點(diǎn)數(shù)量、在背面追加反射層、將母材變更為InGaP等來(lái)提高聚光倍率。其中，背面反射層目前正是實(shí)施準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。
低成本制造超高效率的模塊
量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)有化合物多接合型太陽(yáng)能電池。化合物多接合型太陽(yáng)能電池已經(jīng)得到了人造衛(wèi)星等的采用，目前聚光時(shí)的模塊轉(zhuǎn)換效率約為30％。但制造成本較高，在地面上沒(méi)有得到廣泛普及。另外還存在一大課題，即需要根據(jù)因地區(qū)而異的太陽(yáng)光波長(zhǎng)進(jìn)行定制。
而量子點(diǎn)型太陽(yáng)能電池正在推進(jìn)通過(guò)涂布等方法形成量子點(diǎn)的研究。如果能與該成果相結(jié)合，“就有望以低成本制造超高效率的柔性模塊”（岡田）。今后在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，還考慮在室外設(shè)置模塊，確認(rèn)年發(fā)電量的優(yōu)勢(shì)性。（記者：河合 基伸）
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