终极太阳能电池（2）：利用量子效应控制带隙

　　为实现超高效太阳能电池，大刀阔斧地减少太阳能电池损耗的技术开发已全面展开。针对的是在太阳能电池损耗中占最大比例的传输损耗和量子损耗（图4）。

 
图4：克服两大损耗太阳能电池的损耗中，传输损耗和量子损耗占有很大比例。为实现超高效率，需要克服这些损耗的技术。由《日经微器件》根据各种资料和采访制成。

　　减少传输损耗的有效方法是控制带隙以利用大范围波长的光线。为减少量子损耗，将采用新原理，防止能量变成热量而散失。不过，减少量子损耗的新原理只停留在效果验证阶段。因此，目前正先行开发减少传输损耗的带隙控制技术。

　　带隙的主要控制方法有（1）利用量子效应的量子点型，（2）采用GaAs等的化合物多结型，（3）采用多种薄膜的薄膜多结型。

以硅类材料实现量子点型

　　（1）要实现量子点型，有“串联方式”和“中间能带方式”两种方法。串联方式层叠多层通过改变量子点直径控制了带隙的量子点层，使用大范围波长的光线。

　　日本东北大学教授寒川诚二的研究组针对串联方式，开发出了能够控制间隔以配置大小均匀的量子点的方法（图5）。这样，能够提高量子尺寸效应。通过蚀刻把自组装膜加工到掩模上得以实现。太阳能电池研究人员之间普遍认为蚀刻部出现缺陷容易造成载流子消失，对蚀刻均有抵触情绪。而寒川却使用自主的中性粒子束抑制了缺陷的增加。

 
图5：通过蚀刻形成量子点将蛋白质蚀刻到掩模上形成了量子点。还确认了隧道电流。照片由东北大学提供。图是《日经微器件》根据东北大学的资料制成。

利用中间能带方式实现脱As

　　中间能带方式则采用因量子点之间发生的电子耦合而在带隙中间形成的中间能带。由于产生了载流子通过中间能带的新路径，所以提高了转换效率。

　　东京大学副教授冈田至崇利用中间能带方式将转换效率由2007年的8.54％迅速提高到了2009年的16.12％（图6）。将（001）底板换成（311）底板以将量子点密度增至2倍，同时调整了太阳能电池单元的电极和防反射膜，这起到了作用。今后的目标是2015年达到25％，2030年达到40％。

图6：2015年以后将超过结晶硅中间能带方式的量子点型，转换效率逐渐提高。预计2030年达到40％。照片由东京大学提供。图为《日经微器件》根据东京大学的资料制成。

　　冈田采用的是层叠膜时能够自组形成量子点的方法。在使晶格常数比底板大的不同材料结晶成长时，会引起三维岛生长，能够自己形成量子点。但这样一来，应变能累积，为了予以缓和，量子点逐渐增大。为防止这种情况，将插入产生与量子点方向相反的晶格应变的应变补偿层。（记者：河合 基伸）