【太阳能电池的技术革命（2）】以新一代电子技术将太阳能电池从半导体中解放

从零开始汇总技术

        虽然大举提高转换效率并非易事，但是太阳能电池的技术开发竞争已经刻不容缓，因此，无论如何首先要进行技术开发。作为打开局面的措施，很多研发活动都是回到原点从头开始探讨太阳能电池的所有可能性。利用能够想到的各种材料进行尝试，其情景堪称百花齐放。其中一些利用旧材料取得的成果连研究人员自身都感到吃惊（参照“旧材料中惊人发现不断”）。

        另外，利用与传统半导体技术完全不同的方式实现光电转换，或着眼于大幅提高转换效率的“第4代”技术也陆续出现（图1，图4）。开篇提到的挑战带隙束缚的措施可称是其中代表事例。从原理上来说，可实现超过第3代技术的80％以上的转换效率，和几日元/W的超低成本。虽然目前很多新技术还处于研究开发阶段，但也许会超越第3代，一跃成为太阳能电池技术的主角。

成为新一代电子学的基础

        第4代技术大致分成3类（图4）。具体包括：①使用“强关联电子体系”材料的技术；②使用“等离子体”的技术；③使用波长转换材料的技术。这些技术都不局限于太阳能电池，还可以延伸到蓄电池、光LSI等新一代电子学和光学产品，是应用范围广泛的技术。

图4：利用不使用半导体的技术实现“高效率、低成本” 第4代太阳能电池技术的三个方法已显示出各自的效果。强关联电子体系材料是用于开发全新的太阳能电池的材料。与之相比，采用等离子体和波长转换技术有望使太阳能电池在原有技术的条件下提高转换效率。

        ①强关联电子体系材料类似于冰受热融化成水，是通过光、电场、压力等微小的能量交换，使材料的状态从绝缘体高速转换成金属或导电体的一类材料（图5）。以材料举例的话，这种材料大多是PCMO*等锰类氧化物、TaOx等含有过渡金属的氧化物。但也包括TCNQ*等有机材料。

图5：利用氧化物相变使光能转化成电能 MEG在电子间相关大的条件下才会产生（a）。电子间相关强烈的强关联电子体系氧化物会发生类似于MEG的MCG现象（b）。在该现象中，1个光子能够激发出hv/0.3eV个的电子和空穴的等离子（hv为1个光子的能量）。如果能使电子与空穴分离，从电极中取出，那么就能实现把阳光的绝大多数能量转变成电能的太阳能电池（c）。图为《日经电子》根据理化学研究所十仓研究团队的资料制作。

*PCMO＝由稀土类元素镨（Pr）、钙（Ca）、锰（Mn）和氧（O）组成的氧化物。结构为Pr_0.5Ca_0.5MnO₃时是稳定的绝缘体，但略微改变结构，并略微增加了一点锶（Sr）的Pr_0.55（Ca_0.8Sr_0.2）_0.45MnO₃很容易产生相变。理化学研究所十仓团队的ReRAM方案使用了PCMO。

*TCNQ（四氰基对苯二醌二甲烷）＝n型有机半导体材料之一。化学式为（NC）₂CC₆H₄C（CN）₂。

        其实，高温超导和即将投入实用的可变电阻式存储器（ReRAM）使用的材料也是强关联电子体系材料的一种。可说是应用于各种领域的可能性高，很大程度影响今后电子学发展方向的材料。在日本，理化学研究所的十仓好纪团队正以在各种领域应用为目标，进行着强关联电子体系材料的研究（参照“电子技术因强关联电子体系而改”）。前面提到的川崎也是十仓团队的一员。 

        ②等离子体是利用金属表面上光与电子的共振状态的技术。利用这项技术的目的在于大幅提高光的利用效率。这项技术也不局限于太阳能电池，包括超高效率LED、有机EL、光LSI和分子间光通信在内，在电与光的交界领域正在开展各种应用研究（参照“进入利用光实现电技术的时代”）。

        而③是使用把紫外线和红外线转换成可见光的波长转换材料的方法。可说是现有萤光材料的进化形态，很有可能对显示器、照明、医疗等广泛领域产生很大的波及效应。

光使“电子晶体”融解

        下面详细介绍一下这三项新一代技术和开发示例。首先，强关联电子体系材料没有取决于半导体带隙的转换效率极限，能够把阳光的大部分能量转化成电能。

        具体来说，当光子照射到强关联电子体系材料时，会发生“光诱导相变”现象，在之前是绝缘体的材料上，会有微小的区域转变成金属性质（图5）。与冰等固体融化成液体的差异在于发生变化的不是原子排列，而是电子束团的动态和能量状态。也就是产生了“电子晶体在光的作用下融解为电子液体”（理研川崎）的现象。

        电子晶体融解区域与绝缘体区域的能差大约为0.3eV，具体数字因材料而异。融解区域处于电子和空穴的等离子状态，而且会随着光子能量的增加而扩大。假设光子的能量为1.5eV，那么最多可以生成5组电子和空穴的等离子，如果是3eV的光子，则最多可以生成相当于10组电子和空穴的等离子。强关联电子体系材料的研究人员称之为“多载流子激发（MCG）”。

        MCG的原理与使用半导体的MEG型太阳能电池的发电原理相似（图3（d））。川崎称，实际上，“MEG与MCG都是发生在电子间关联强烈的状态下”。

        二者当然也有差异。除了带隙、相变等物理机制不同外，MEG会形成电子与空穴结合强的激子，MCG形成的则是结合弱的等离子。因此，在原理上来说，MCG似乎更容易实现转换效率高的光电转换。

        如果能够实现以MCG为基础的太阳能电池，那么也有希望实现利用热辐射发电的太阳能电池，甚至超越第3代的超高效率太阳能电池。因为生成等离子的阈值0.3eV的光线波长约为4.1μm，已达到基本无法使用半导体的中红外区域^（注3）。也就是说，比半导体可利用更广泛波长的阳光（图5（c））。

（注3） 2010年6月，IMEC开发出了利用辐射热发电的光电转换元件。使用的半导体带隙约为0.67eV，能够利用波长约为1.8μm以下的近红外区域的光发电。（《日经电子》记者：河合基伸、野泽哲生；硅谷支局：Phil Keys）