從紫外光及紅外光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能電池技術(shù)

日本京都工藝?yán)w維大學(xué)試制的太陽(yáng)能電池單元。在p型GaN薄膜中添加Co，并層疊n型材料。帶吸收層的電池單元的尺寸為10mm見(jiàn)方。周?chē)募?xì)長(zhǎng)矩形圖案為電極。左為未添加Co的p型GaN薄膜。

　　日本京都工藝?yán)w維大學(xué)副教授園田早紀(jì)的研究小組2010年3月19日在“第57屆應(yīng)用物理學(xué)相關(guān)聯(lián)合演講會(huì)”上宣布，試制出了可對(duì)從紫外光、可視光直至紅外光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能電池。據(jù)稱是在氮化鎵（GaN）等大帶隙的透明化合物半導(dǎo)體中添加錳（Mn）等“3d過(guò)渡金屬”實(shí)現(xiàn)的。由此，無(wú)需制做多結(jié)型電池單元，而直接單純接合即可開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽(yáng)能電池。雖然目前轉(zhuǎn)移效率還比較低，但開(kāi)路電壓非常高，已達(dá)到約2V。

　　園田等發(fā)表了題為“在過(guò)渡金屬添加氮化物半導(dǎo)體形成紫外-可視-紅外光電轉(zhuǎn)換材料～以簡(jiǎn)單元件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)新一代超效率太陽(yáng)能電池目標(biāo)”的演講。園田連續(xù)6次使用限時(shí)15分鐘的演講機(jī)會(huì)，進(jìn)行了90分鐘的演講。

　　園田研究發(fā)現(xiàn)，向帶隙寬度高達(dá)約3.4eV的透明GaN添加數(shù)％～20％的Mn，其對(duì)紫外、可視光直至紅外的大范圍波長(zhǎng)的光幾乎具有持續(xù)的高吸收系數(shù)。實(shí)際上，通過(guò)向p型GaN添加Mn試制的太陽(yáng)能電池單元與不添加Mn的元件不同，呈黑色不透明狀。

　　園田表示，這一點(diǎn)可通過(guò)以Mn的3d軌道能級(jí)為主要成分構(gòu)成的“雜質(zhì)能帶”模型來(lái)說(shuō)明。以前就有向大帶隙半導(dǎo)體材料添加雜質(zhì)，在能級(jí)小的電子不能占據(jù)的禁帶中搭建“梯子”，使其可吸收更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的類(lèi)似技術(shù)。這種帶隙結(jié)構(gòu)一般被稱為“中間帶”。而此次“機(jī)理是否與原來(lái)的中間帶相同尚未明確”。

　　除了Mn之外，還嘗試添加了其他多種3d過(guò)渡金屬，得到的結(jié)果大多相同。3d過(guò)渡金屬是指原子序數(shù)（原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)）增加時(shí)，最外層軌道內(nèi)的3d軌道上電子會(huì)增加的元素。具體有鈧（Sc）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）。如果添加元素選擇得當(dāng)，“即使是帶隙非常大的氮化鋁（AlN），也可能具有可視光吸收區(qū)域”。

　　此次試制的太陽(yáng)能電池單元是在p型GaN中添加了Co。開(kāi)路電壓（Voc）在1sun下高達(dá)2V以上。一般而言，單結(jié)電池單元的開(kāi)放電壓高達(dá)2V以上，則意味著帶隙也很大，只能對(duì)可視光中短波長(zhǎng)的光（藍(lán)及綠等）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而此次并未遇到這種情況。

　　而另一方面，短路電流密度約為10μA/cm2，比普通結(jié)晶Si太陽(yáng)能電池的數(shù)值小3個(gè)數(shù)量級(jí)。原因之一是“電池單元是與電極分離的，連接這兩者的p型GaN的電阻非常大”。這是因?yàn)槟壳斑€不能使用光刻設(shè)備，未能實(shí)現(xiàn)可準(zhǔn)確測(cè)量輸出電流的設(shè)計(jì)。結(jié)果，目前的電池單元轉(zhuǎn)換效率很低，只有0.01％左右。

　　基于GaN的太陽(yáng)能電池方面，最近通過(guò)添加In來(lái)減小帶隙，從而實(shí)現(xiàn)可視光吸收的研發(fā)日益興盛。但在這種情況下，為了將大范圍波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成電，必須采用變化In添加率等的材料來(lái)開(kāi)發(fā)多結(jié)型電池單元。而此次的研究有助于雖基于GaN但機(jī)理完全不同的太陽(yáng)能電池。