大阪大學(xué)太陽(yáng)能電池方案，無(wú)pn結(jié)轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到70～80％

       在“PVJapan2014”上，日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所的研究員江村修一等人提出了不使用pn結(jié)的新原理的太陽(yáng)能電池方案。理想情況下，這種太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到70～80％。       新原理的思路是，利用晶體內(nèi)的極性，也就是自發(fā)極化引發(fā)的內(nèi)部電場(chǎng)梯度來(lái)分離激子（成對(duì)的電子與空穴）。太陽(yáng)能電池常用的材料Si沒(méi)有極性，但不少化合物的晶體都具有強(qiáng)極性。當(dāng)這些材料在內(nèi)部電場(chǎng)梯度的作用下吸收光子生成激子后，電子與空穴將自發(fā)性地分離至不同方向。按照具體設(shè)想，太陽(yáng)能電池元件的結(jié)構(gòu)是在InN層與電極之間夾入300nm～350nm厚、帶隙為0.92eV的InGaN層。       對(duì)于一般的太陽(yáng)能電池，分離激子、使電子與空穴分別轉(zhuǎn)移到不同電極是由pn結(jié)來(lái)完成的。而江村表示，只利用內(nèi)部電場(chǎng)梯度分離激子具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠減少電子與空穴的復(fù)合和熱弛豫。       舉例來(lái)說(shuō)，一般的Si類太陽(yáng)能電池為了提高光吸收率，僅活性層經(jīng)常就達(dá)到數(shù)十μm甚至更厚。這使得大多數(shù)波長(zhǎng)短、能量高的光子在遠(yuǎn)離pn結(jié)的地方就變成“熱激子”，在抵達(dá)pn結(jié)分離成電子和空穴之前，就已經(jīng)因復(fù)合和熱弛豫而產(chǎn)生損失。       過(guò)去的單結(jié)太陽(yáng)能電池存在的問(wèn)題是，波長(zhǎng)短于帶隙的光因熱弛豫而損失，而波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光會(huì)發(fā)生透射，無(wú)法有效利用。這種現(xiàn)象被稱作“Shockley-Queisser limit”，關(guān)系到單結(jié)太陽(yáng)能電池的最大性能。       而此次提出的新型太陽(yáng)能電池的光活性層使用的InGaN的厚度為300nm～350nm。據(jù)江村介紹，InGaN不同于Si，屬于直接遷移型，光吸收率高，“只需100nm左右的厚度就能吸收照射光線的1/2”，300nm則可吸收大部分的光線。相對(duì)于載流子的壽命，該層到電極的距離也比較短。因此“沒(méi)有聲子散射，也不發(fā)生熱弛豫”。這就消除了決定“Shockley-Queisser limit”的兩大損失原因中的一個(gè)。       紅外線等長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁波的透射損失依然存在。但是，通過(guò)控制InGaN中In的成分，使帶隙縮小到0.92eV后，無(wú)法利用的紅外線的能量比可以降低到陽(yáng)光整體的10％。       江村表示，即使考慮到這10％和光反射等造成的損失，也可以使整體損失降低到20～30％。換言之，在理想情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換效率為70～80％的太陽(yáng)能電池。       但截至目前，這種太陽(yáng)能電池還停留在理論階段。江村表示，“今后就要實(shí)際制作元件并進(jìn)行評(píng)估”。