從紫外光及紅外光進行光電轉換的太陽能電池技術

日本京都工藝纖維大學試制的太陽能電池單元。在p型GaN薄膜中添加Co，并層疊n型材料。帶吸收層的電池單元的尺寸為10mm見方。周圍的細長矩形圖案為電極。左為未添加Co的p型GaN薄膜。

日本京都工藝纖維大學副教授園田早紀的研究小組2010年三月十九日在“第57屆應用物理學相關聯合演講會”上宣布，試制出了可對從紫外光、可視光直至紅外光進行光電轉換的太陽能電池。據稱是在氮化鎵（GaN）等大帶隙的透明化合物半導體中添加錳（Mn）等“3d過渡金屬”實現的。由此，無需制做多結型電池單元，而直接單純接合即可開發出轉換效率非常高的太陽能電池。雖然目前轉移效率還比較低，但開路電壓非常高，已達到約2V。

園田等發表了題為“在過渡金屬添加氮化物半導體形成紫外-可視-紅外光電轉換材料～以簡單元件結構實現新一代超效率太陽能電池目標”的演講。園田持續6次使用限時15分鐘的演講機會，進行了90分鐘的演講。

園田研究發現，向帶隙寬度高達約3.4eV的透明GaN添加數％～20％的Mn，其對紫外、可視光直至紅外的大范圍波長的光幾乎具有持續的高吸收系數。實際上，通過向p型GaN添加Mn試制的太陽能電池單元與不添加Mn的元件不同，呈黑色不透明狀。

園田表示，這一點可通過以Mn的3d軌道能級為重要成分構成的“雜質能帶”模型來說明。以前就有向大帶隙半導體材料添加雜質，在能級小的電子不能占據的禁帶中搭建“梯子”，使其可吸收更長波長的光的類似技術。這種帶隙結構一般被稱為“中間帶”。而此次“機理是否與原來的中間帶相同尚未明確”。

除了Mn之外，還嘗試添加了其他多種3d過渡金屬，得到的結果大多相同。3d過渡金屬是指原子序數（原子核內的質子數）新增時，最外層軌道內的3d軌道上電子會新增的元素。具體有鈧（Sc）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）。假如添加元素選擇得當，“即使是帶隙非常大的氮化鋁（AlN），也可能具有可視光吸收區域”。

此次試制的太陽能電池單元是在p型GaN中添加了Co。開路電壓（Voc）在1sun下高達2V以上。一般而言，單結電池單元的開放電壓高達2V以上，則意味著帶隙也很大，只能對可視光中短波長的光（藍及綠等）進行光電轉換，而此次并未遇到這種情況。

而另一方面，短路電流密度約為10μA/cm2，比普通結晶Si太陽能電池的數值小3個數量級。原因之一是“電池單元是與電極分離的，連接這兩者的p型GaN的電阻非常大”。這是因為目前還不能使用光刻設備，未能實現可準確測量輸出電流的設計。結果，目前的電池單元轉換效率很低，只有0.01％左右。

基于GaN的太陽能電池方面，最近通過添加In來減小帶隙，從而實現可視光吸收的研發日益興盛。但在這種情況下，為了將大范圍波長的光轉換成電，必須采用變化In添加率等的材料來開發多結型電池單元。而此次的研究有助于雖基于GaN但機理完全不同的太陽能電池。