終極太陽能電池：結(jié)晶硅型太陽能電池接近理論極限

從太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率來看，現(xiàn)在主流的結(jié)晶硅型太陽能電池“已經(jīng)逼近了理論極限”（三洋電機(jī)研究開發(fā)本部先進(jìn)能源研究所太陽能研究部部長丸山英治）。結(jié)晶硅型太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率約為29％。其最大決定因素是結(jié)晶硅的固有帶隙。因?yàn)橛糜诎l(fā)電的光線波長有限，所以效率會受到遏制。要想進(jìn)一步提高效率，就需要采用替代結(jié)晶硅的新材料或量子效應(yīng)等新技術(shù)擴(kuò)大吸收范圍，突破“Si的理論極限”。其目標(biāo)是超越40％。面向新的目標(biāo)，太陽能電池的開發(fā)即將邁入新紀(jì)元（圖1）。

　　圖1：終極太陽能電池的實(shí)現(xiàn)過程現(xiàn)在主流的結(jié)晶硅型太陽能電池已經(jīng)逼近理論轉(zhuǎn)換效率。圖中左起依次為《日經(jīng)微器件》攝影和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、美國NanoGram、京都大學(xué)、富士電機(jī)控股的數(shù)據(jù)。

　　2015年左右使效率達(dá)到25～26％

　　結(jié)晶硅型太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提升的極限最快會在2015年左右到來。作為在結(jié)晶硅型太陽能電池表里形成有非晶硅層的“HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）太陽能電池”的獨(dú)家生產(chǎn)商，三洋電機(jī)于2009年5月在研究中實(shí)現(xiàn)了23％的單元轉(zhuǎn)換效率。該公司表示，這是10cm見方實(shí)用尺寸太陽能電池的世界最高紀(jì)錄。按照普遍看法，結(jié)晶硅型太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率約為29％，而實(shí)用的最高值為25～26％，由此可見，與最高值的距離只剩下了小小幾個(gè)百分點(diǎn)。

　　三洋電機(jī)丸山表示：“剩余幾個(gè)百分點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率提升所面臨的課題已經(jīng)明確，只要花時(shí)間拓展現(xiàn)有技術(shù)就能穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)?！本唧w的提升幅度如下：減少電極陰影的影響為5％左右，抑制透明導(dǎo)電膜和非晶硅層的光線吸收為5％左右，抑制非晶硅和結(jié)晶硅界面缺陷誘發(fā)的載流子復(fù)合為數(shù)％。實(shí)用的最高值僅憑這些方法就能夠?qū)崿F(xiàn)。在此之前，提高轉(zhuǎn)換效率也一直使用這些方法。如果按照現(xiàn)在的速度提升，那么到2015年左右，實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)換效率將達(dá)到25～26％（圖2）。

　　圖2：HIT太陽能電池逼近理論極限三洋電機(jī)的“HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）太陽能電池”有望在今后幾年內(nèi)達(dá)到結(jié)晶硅型太陽能電池的極限。2009年之前為三洋電機(jī)數(shù)據(jù)。攝影：《日經(jīng)微器件》。

　　開發(fā)革命性太陽能電池

　　終極太陽能電池是什么樣子的？在NEDO的“革新性太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)”計(jì)劃中，三個(gè)研究小組爭相拿出了對于轉(zhuǎn)換效率超過40％的太陽能電池形態(tài)的研究成果（圖3）。三者分別希望借助量子效應(yīng)的使用、多結(jié)化和聚光裝置的并用、新材料的采用和光線管理等技術(shù)，自主開發(fā)高效太陽能電池。其共同點(diǎn)在于充分利用了此前無法使用的大范圍波長的光線。（記者：河合 基伸）

　　圖3：結(jié)合各類技術(shù)提高效率 NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）的“革新性太陽能發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)”計(jì)劃正在開發(fā)的太陽能電池示例。其目標(biāo)是組合各類技術(shù)，充分利用大范圍波長的光線，從而實(shí)現(xiàn)超高效率。圖中括號內(nèi)為材料的帶隙。《日經(jīng)微器件》根據(jù)NEDO的資料制作。