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“全球首次試制出了量子點(diǎn)型太陽能電池模塊。計(jì)劃2020年前后通過改良實(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)型太陽能電池單元的模塊。采用將12cm見方的聚光鏡聚集的太陽光傳遞到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，測量到的模塊轉(zhuǎn)換效率為15.3％（圖1）。
此前美國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。不過那是為了增加化合物多接合型太陽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20％
不過，無論理論極限值有多高，此次的模塊轉(zhuǎn)換效率也只不過才達(dá)到與普通的結(jié)晶硅型太陽能電池模塊相同的水平。對(duì)此，岡田自信地表示，“存在的問題已經(jīng)明確，能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過結(jié)晶硅型的成果”。目前正為下一次測量試制新的單元。
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。通過這些舉措，2012年內(nèi)模塊轉(zhuǎn)換效率將超過20％（圖3）。另外，通過實(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)劃通過追加二次聚光鏡等在2015年之前使模塊轉(zhuǎn)換效率超過25％，2020年前后超過40％。要想超過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)型太陽能電池的競爭技術(shù)有化合物多接合型太陽能電池?；衔锒嘟雍闲吞柲茈姵匾呀?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)而異的太陽光波長進(jìn)行定制。
而量子點(diǎn)型太陽能電池正在推進(jìn)通過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)型太陽能電池單元的模塊。采用將12cm見方的聚光鏡聚集的太陽光傳遞到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。不過那是為了增加化合物多接合型太陽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20％
不過，無論理論極限值有多高，此次的模塊轉(zhuǎn)換效率也只不過才達(dá)到與普通的結(jié)晶硅型太陽能電池模塊相同的水平。對(duì)此，岡田自信地表示，“存在的問題已經(jīng)明確，能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過結(jié)晶硅型的成果”。目前正為下一次測量試制新的單元。
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。通過這些舉措，2012年內(nèi)模塊轉(zhuǎn)換效率將超過20％（圖3）。另外，通過實(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40％ 東京大學(xué)計(jì)劃2012年內(nèi)使模塊轉(zhuǎn)換效率超過20％，2015年之前提高到25％以上。另外，目標(biāo)是2020年超過40％。 |
計(jì)劃通過追加二次聚光鏡等在2015年之前使模塊轉(zhuǎn)換效率超過25％，2020年前后超過40％。要想超過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)型太陽能電池的競爭技術(shù)有化合物多接合型太陽能電池?；衔锒嘟雍闲吞柲茈姵匾呀?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)而異的太陽光波長進(jìn)行定制。
而量子點(diǎn)型太陽能電池正在推進(jìn)通過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)勢性。（記者：河合 基伸）
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