從零開始匯總技術

        雖然大舉提高轉換效率并非易事，但是太陽能電池的技術開發(fā)競爭已經(jīng)刻不容緩，因此，無論如何首先要進行技術開發(fā)。作為打開局面的措施，很多研發(fā)活動都是回到原點從頭開始探討太陽能電池的所有可能性。利用能夠想到的各種材料進行嘗試，其情景堪稱百花齊放。其中一些利用舊材料取得的成果連研究人員自身都感到吃驚（參照“舊材料中驚人發(fā)現(xiàn)不斷”）。

        另外，利用與傳統(tǒng)半導體技術完全不同的方式實現(xiàn)光電轉換，或著眼于大幅提高轉換效率的“第4代”技術也陸續(xù)出現(xiàn)（圖1，圖4）。開篇提到的挑戰(zhàn)帶隙束縛的措施可稱是其中代表事例。從原理上來說，可實現(xiàn)超過第3代技術的80％以上的轉換效率，和幾日元/W的超低成本。雖然目前很多新技術還處于研究開發(fā)階段，但也許會超越第3代，一躍成為太陽能電池技術的主角。

成為新一代電子學的基礎

        第4代技術大致分成3類（圖4）。具體包括：①使用“強關聯(lián)電子體系”材料的技術；②使用“等離子體”的技術；③使用波長轉換材料的技術。這些技術都不局限于太陽能電池，還可以延伸到蓄電池、光LSI等新一代電子學和光學產(chǎn)品，是應用范圍廣泛的技術。

圖4：利用不使用半導體的技術實現(xiàn)“高效率、低成本” 第4代太陽能電池技術的三個方法已顯示出各自的效果。強關聯(lián)電子體系材料是用于開發(fā)全新的太陽能電池的材料。與之相比，采用等離子體和波長轉換技術有望使太陽能電池在原有技術的條件下提高轉換效率。

        ①強關聯(lián)電子體系材料類似于冰受熱融化成水，是通過光、電場、壓力等微小的能量交換，使材料的狀態(tài)從絕緣體高速轉換成金屬或?qū)щ婓w的一類材料（圖5）。以材料舉例的話，這種材料大多是PCMO*等錳類氧化物、TaOx等含有過渡金屬的氧化物。但也包括TCNQ*等有機材料。

圖5：利用氧化物相變使光能轉化成電能 MEG在電子間相關大的條件下才會產(chǎn)生（a）。電子間相關強烈的強關聯(lián)電子體系氧化物會發(fā)生類似于MEG的MCG現(xiàn)象（b）。在該現(xiàn)象中，1個光子能夠激發(fā)出hv/0.3eV個的電子和空穴的等離子（hv為1個光子的能量）。如果能使電子與空穴分離，從電極中取出，那么就能實現(xiàn)把陽光的絕大多數(shù)能量轉變成電能的太陽能電池（c）。圖為《日經(jīng)電子》根據(jù)理化學研究所十倉研究團隊的資料制作。

*PCMO＝由稀土類元素鐠（Pr）、鈣（Ca）、錳（Mn）和氧（O）組成的氧化物。結構為Pr_0.5Ca_0.5MnO₃時是穩(wěn)定的絕緣體，但略微改變結構，并略微增加了一點鍶（Sr）的Pr_0.55（Ca_0.8Sr_0.2）_0.45MnO₃很容易產(chǎn)生相變。理化學研究所十倉團隊的ReRAM方案使用了PCMO。

*TCNQ（四氰基對苯二醌二甲烷）＝n型有機半導體材料之一。化學式為（NC）₂CC₆H₄C（CN）₂。

        其實，高溫超導和即將投入實用的可變電阻式存儲器（ReRAM）使用的材料也是強關聯(lián)電子體系材料的一種?？烧f是應用于各種領域的可能性高，很大程度影響今后電子學發(fā)展方向的材料。在日本，理化學研究所的十倉好紀團隊正以在各種領域應用為目標，進行著強關聯(lián)電子體系材料的研究（參照“電子技術因強關聯(lián)電子體系而改”）。前面提到的川崎也是十倉團隊的一員。 

        ②等離子體是利用金屬表面上光與電子的共振狀態(tài)的技術。利用這項技術的目的在于大幅提高光的利用效率。這項技術也不局限于太陽能電池，包括超高效率LED、有機EL、光LSI和分子間光通信在內(nèi)，在電與光的交界領域正在開展各種應用研究（參照“進入利用光實現(xiàn)電技術的時代”）。

        而③是使用把紫外線和紅外線轉換成可見光的波長轉換材料的方法?？烧f是現(xiàn)有螢光材料的進化形態(tài)，很有可能對顯示器、照明、醫(yī)療等廣泛領域產(chǎn)生很大的波及效應。

光使“電子晶體”融解

        下面詳細介紹一下這三項新一代技術和開發(fā)示例。首先，強關聯(lián)電子體系材料沒有取決于半導體帶隙的轉換效率極限，能夠把陽光的大部分能量轉化成電能。

        具體來說，當光子照射到強關聯(lián)電子體系材料時，會發(fā)生“光誘導相變”現(xiàn)象，在之前是絕緣體的材料上，會有微小的區(qū)域轉變成金屬性質(zhì)（圖5）。與冰等固體融化成液體的差異在于發(fā)生變化的不是原子排列，而是電子束團的動態(tài)和能量狀態(tài)。也就是產(chǎn)生了“電子晶體在光的作用下融解為電子液體”（理研川崎）的現(xiàn)象。

        電子晶體融解區(qū)域與絕緣體區(qū)域的能差大約為0.3eV，具體數(shù)字因材料而異。融解區(qū)域處于電子和空穴的等離子狀態(tài)，而且會隨著光子能量的增加而擴大。假設光子的能量為1.5eV，那么最多可以生成5組電子和空穴的等離子，如果是3eV的光子，則最多可以生成相當于10組電子和空穴的等離子。強關聯(lián)電子體系材料的研究人員稱之為“多載流子激發(fā)（MCG）”。

        MCG的原理與使用半導體的MEG型太陽能電池的發(fā)電原理相似（圖3（d））。川崎稱，實際上，“MEG與MCG都是發(fā)生在電子間關聯(lián)強烈的狀態(tài)下”。

        二者當然也有差異。除了帶隙、相變等物理機制不同外，MEG會形成電子與空穴結合強的激子，MCG形成的則是結合弱的等離子。因此，在原理上來說，MCG似乎更容易實現(xiàn)轉換效率高的光電轉換。

        如果能夠?qū)崿F(xiàn)以MCG為基礎的太陽能電池，那么也有希望實現(xiàn)利用熱輻射發(fā)電的太陽能電池，甚至超越第3代的超高效率太陽能電池。因為生成等離子的閾值0.3eV的光線波長約為4.1μm，已達到基本無法使用半導體的中紅外區(qū)域^（注3）。也就是說，比半導體可利用更廣泛波長的陽光（圖5（c））。

（注3） 2010年6月，IMEC開發(fā)出了利用輻射熱發(fā)電的光電轉換元件。使用的半導體帶隙約為0.67eV，能夠利用波長約為1.8μm以下的近紅外區(qū)域的光發(fā)電。（《日經(jīng)電子》記者：河合基伸、野澤哲生；硅谷支局：Phil Keys）