GaN类半导体的终极太阳能电池？

日本京都工艺纤维大学试制的太阳能电池单元（右）。在p型GaN薄膜中添加Co，并层叠n型材料。带吸收层的电池单元的尺寸为10mm见方。周围的细长矩形图案为电极。左为未添加Co的p型GaN薄膜。

　　日本京都工艺纤维大学副教授园田早纪的研究小组2010年3月19日在“第57届应用物理学相关联合演讲会”上宣布，试制出了可对从紫外光、可视光直至红外光进行光电转换的太阳能电池。据称是在氮化镓（GaN）等大带隙的透明化合物半导体中添加锰（Mn）等“3d过渡金属”实现的。由此，无需制做多结型电池单元，而直接单纯接合即可开发出转换效率非常高的太阳能电池。虽然目前转移效率还比较低，但开路电压非常高，已达到约2V。

　　园田等发表了题为“在过渡金属添加氮化物半导体形成紫外-可视-红外光电转换材料～以简单元件结构实现新一代超效率太阳能电池目标”的演讲。园田连续6次使用限时15分钟的演讲机会，进行了90分钟的演讲。

　　园田研究发现，向带隙宽度高达约3.4eV的透明GaN添加数％～20％的Mn，其对紫外、可视光直至红外的大范围波长的光几乎具有持续的高吸收系数。实际上，通过向p型GaN添加Mn试制的太阳能电池单元与不添加Mn的元件不同，呈黑色不透明状（见照片）。

　　园田表示，这一点可通过以Mn的3d轨道能级为主要成分构成的“杂质能带”模型来说明。以前就有向大带隙半导体材料添加杂质，在能级小的电子不能占据的禁带中搭建“梯子”，使其可吸收更长波长的光的类似技术。这种带隙结构一般被称为“中间带”。而此次“机理是否与原来的中间带相同尚未明确”（园田）。

　　除了Mn之外，还尝试添加了其他多种3d过渡金属，得到的结果大多相同。3d过渡金属是指原子序数（原子核内的质子数）增加时，最外层轨道内的3d轨道上电子会增加的元素。具体有钪（Sc）、钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）。如果添加元素选择得当，“即使是带隙非常大的氮化铝（AlN），也可能具有可视光吸收区域”（园田）。

　　此次试制的太阳能电池单元是在p型GaN中添加了Co。开路电压（Voc）在1sun下高达2V以上。一般而言，单结电池单元的开放电压高达2V以上，则意味着带隙也很大，只能对可视光中短波长的光（蓝及绿等）进行光电转换，而此次并未遇到这种情况。

　　而另一方面，短路电流密度约为10μA/cm2，比普通结晶Si太阳能电池的数值小3个数量级。原因之一是“电池单元是与电极分离的，连接这两者的p型GaN的电阻非常大”（园田）。这是因为目前还不能使用光刻设备，未能实现可准确测量输出电流的设计。结果，目前的电池单元转换效率很低，只有0.01％左右。

　　基于GaN的太阳能电池方面，最近通过添加In来减小带隙，从而实现可视光吸收的研发日益兴盛。但在这种情况下，为了将大范围波长的光转换成电，必须采用变化In添加率等的材料来开发多结型电池单元。而此次的研究有助于虽基于GaN但机理完全不同的太阳能电池。（记者：野泽 哲生）