2010年提出新原理太陽(yáng)能電池的伯克利實(shí)驗(yàn)室的兩位實(shí)驗(yàn)人員，左為論文的第二作者JanSeidel，右為論文的主要作者Seung-YeulYang（攝影：伯克利實(shí)驗(yàn)室）

采用不同于pn結(jié)的新原理太陽(yáng)能電池取得了重大進(jìn)展?？梢哉f(shuō)，離轉(zhuǎn)換效率超過(guò)Si類(lèi)太陽(yáng)能電池的極限又近了一步。

開(kāi)發(fā)新原理太陽(yáng)能電池的是加拿大國(guó)立科學(xué)研究院（INRS）、意大利羅馬第二大學(xué)（UniversityofRomeTorVergata）和加拿大麥吉爾大學(xué)（McGillUniversity）的研究人員。研究人員采用具備強(qiáng)介電性*等性質(zhì)的氧化物材料，試制了轉(zhuǎn)換效率為8.1％的太陽(yáng)能電池元件。

*強(qiáng)介電性＝外部無(wú)電場(chǎng)也能自發(fā)極化的晶粒按一定方向排列，該方向和這種強(qiáng)度的電場(chǎng)帶來(lái)的變化呈現(xiàn)磁滯特性的性質(zhì)。無(wú)電場(chǎng)時(shí)的自發(fā)極化還稱(chēng)為殘留極化。

不依賴(lài)pn結(jié)就能分離電荷

能夠超越Si類(lèi)太陽(yáng)能電池的極限主要得益于發(fā)電原理。對(duì)隨著光照在半導(dǎo)體材料中生成的電子和空穴的載流對(duì)進(jìn)行分離的原理跟以前大不相同（圖1）。

圖1：擺脫帶隙（Eg）的束縛

圖為新型太陽(yáng)能電池與現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理差異。不同的是，利用光激發(fā)的電子與空穴的成對(duì)載流子的分離方法。Si類(lèi)太陽(yáng)能電池等利用pn結(jié)分離載流子（a），而有機(jī)太陽(yáng)能電池主要利用LUMO和HOMO各異的材料分離載流子（b）。染料敏化電池也（b）差不多是這樣。而新型太陽(yáng)能電池完全不利用pn結(jié)，是通過(guò)自發(fā)極化的內(nèi)部電位梯度來(lái)分離載流子。這樣，有望大大改變太陽(yáng)能電池的發(fā)電性能?chē)?yán)重受帶隙限制的情況。

以往的太陽(yáng)能電池是采用p型和n型半導(dǎo)體的組合（pn結(jié)）等來(lái)分離載流子，新型太陽(yáng)能電池完全不采用pn結(jié)，而是利用強(qiáng)介電性材料內(nèi)部殘留的具備自發(fā)極化特性的晶粒和晶界來(lái)分離載流子。

基于這一原理的太陽(yáng)能電池有四大優(yōu)勢(shì)：（1）以往的太陽(yáng)能電池只能在pn結(jié)附近的耗盡層分離載流子，而新型太陽(yáng)能電池能在材料整體分離載流子；（2）以往的太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)最大也就相當(dāng)于帶隙，而新型太陽(yáng)能電池沒(méi)有這個(gè)界限；（3）通過(guò)采用氧化物材料，制作高純度Si單晶等的成本降低；（4）通過(guò)從元件外部加載一定的電場(chǎng)，可將極化現(xiàn)象減為零。

INRS等表示，利用（1）～（3）的性質(zhì)，將來(lái)能以低成本實(shí)現(xiàn)超過(guò)現(xiàn)有Si類(lèi)太陽(yáng)能電池極限的轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)有Si類(lèi)太陽(yáng)能電池的極限轉(zhuǎn)換效率為34％。而且，利用（4）的性質(zhì)還有望實(shí)現(xiàn)全新的功能，即在元件內(nèi)部對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出進(jìn)行電控制。

將應(yīng)力和光轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)

這種發(fā)電原理是美國(guó)國(guó)立研究所勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BerkeleyLab）的研究人員2010年提出的。之后，作為候補(bǔ)材料，針對(duì)潛力較高的壓電材料鋯鈦酸鉛（Pb（Zr、Ti）O3：PZT）和鐵酸鉍（BiFeO3：BFO）進(jìn)行了研究。這兩種材料都是鈣鈦礦型氧化物，而且是強(qiáng)介電性材料（圖2（a））。以前已經(jīng)確認(rèn)這些材料具備將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)的壓電效果，此次則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)還具備將光轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)的效果注1）。

圖2：可通過(guò)結(jié)晶的生長(zhǎng)條件等控制帶隙

INRS等的研究小組，通過(guò)改變鈣鈦礦型氧化物Bi2FeCrO6的生長(zhǎng)條件和組成，層疊三層帶隙各異的層制作了新型太陽(yáng)能電池。實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8.1％的值。

注1）最近，染料敏化太陽(yáng)能電池的染料采用鈣鈦礦型材料（含有機(jī)材料）的鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了20.1％的轉(zhuǎn)換效率，而此次全部采用無(wú)機(jī)材料，而且元件構(gòu)造和發(fā)電原理也不同。

不過(guò)，直到最近，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電力的效率最高只有1.25％，要想代替現(xiàn)有太陽(yáng)能電池還有很遠(yuǎn)的路要走。原因之一是，強(qiáng)介電性氧化物材料一般帶隙比較大，會(huì)透過(guò)一大半的太陽(yáng)能。

超過(guò)了a-Si太陽(yáng)能電池

INRS等的研究人員此次采用在BFO中添加鉻（Cr）的Bi2FeCrO6（BFCO）材料制作了太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了8.1％的轉(zhuǎn)換效率（圖2（b，c））。這個(gè)值超過(guò)了普通的非晶硅（a-Si）太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。另外，還追上了2010年時(shí)的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。

新型太陽(yáng)能電池之所以能成功地大幅提高效率，是因?yàn)椴捎肂FCO減小了帶隙值，可利用更多的太陽(yáng)能。而且通過(guò)改變結(jié)晶生長(zhǎng)的條件，可制作具備目標(biāo)值帶隙的材料。

具體來(lái)說(shuō)，INRS等利用激光脈沖沉積（PLD）法制作了BFCO薄膜。通過(guò)使激光的脈沖頻率在2～14Hz間變化來(lái)控制生長(zhǎng)速度。生長(zhǎng)速度變慢后，在材料中極化的晶粒的直徑會(huì)變大。由于晶粒的帶隙較小，所以生長(zhǎng)速度越慢，薄膜整體的實(shí)際帶隙越小。

INRS等通過(guò)控制極化晶粒的直徑，使BFCO薄膜的帶隙可以在1.43～2.59eV的范圍內(nèi)自由設(shè)計(jì)和制作。實(shí)際層疊三層帶隙各異的BFCO制作太陽(yáng)能電池，獲得了此次的值。（記者：野澤哲生，《日經(jīng)電子》）