新原理太阳能电池转换效率达到8.1％

2010年提出新原理太阳能电池的伯克利实验室的两位实验人员，左为论文的第二作者JanSeidel，右为论文的主要作者Seung-YeulYang（摄影：伯克利实验室）

采用不同于pn结的新原理太阳能电池取得了重大进展。可以说，离转换效率超过Si类太阳能电池的极限又近了一步。

开发新原理太阳能电池的是加拿大国立科学研究院（INRS）、意大利罗马第二大学（UniversityofRomeTorVergata）和加拿大麦吉尔大学（McGillUniversity）的研究人员。研究人员采用具备强介电性*等性质的氧化物材料，试制了转换效率为8.1％的太阳能电池元件。

*强介电性＝外部无电场也能自发极化的晶粒按一定方向排列，该方向和这种强度的电场带来的变化呈现磁滞特性的性质。无电场时的自发极化还称为残留极化。

不依赖pn结就能分离电荷

能够超越Si类太阳能电池的极限主要得益于发电原理。对随着光照在半导体材料中生成的电子和空穴的载流对进行分离的原理跟以前大不相同（图1）。

图1：摆脱带隙（Eg）的束缚

图为新型太阳能电池与现有太阳能电池的发电原理差异。不同的是，利用光激发的电子与空穴的成对载流子的分离方法。Si类太阳能电池等利用pn结分离载流子（a），而有机太阳能电池主要利用LUMO和HOMO各异的材料分离载流子（b）。染料敏化电池也（b）差不多是这样。而新型太阳能电池完全不利用pn结，是通过自发极化的内部电位梯度来分离载流子。这样，有望大大改变太阳能电池的发电性能严重受带隙限制的情况。

以往的太阳能电池是采用p型和n型半导体的组合（pn结）等来分离载流子，新型太阳能电池完全不采用pn结，而是利用强介电性材料内部残留的具备自发极化特性的晶粒和晶界来分离载流子。

基于这一原理的太阳能电池有四大优势：（1）以往的太阳能电池只能在pn结附近的耗尽层分离载流子，而新型太阳能电池能在材料整体分离载流子；（2）以往的太阳能电池的电动势最大也就相当于带隙，而新型太阳能电池没有这个界限；（3）通过采用氧化物材料，制作高纯度Si单晶等的成本降低；（4）通过从元件外部加载一定的电场，可将极化现象减为零。

INRS等表示，利用（1）～（3）的性质，将来能以低成本实现超过现有Si类太阳能电池极限的转换效率，现有Si类太阳能电池的极限转换效率为34％。而且，利用（4）的性质还有望实现全新的功能，即在元件内部对太阳能电池的输出进行电控制。

将应力和光转换成电动势

这种发电原理是美国国立研究所劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）的研究人员2010年提出的。之后，作为候补材料，针对潜力较高的压电材料锆钛酸铅（Pb（Zr、Ti）O3：PZT）和铁酸铋（BiFeO3：BFO）进行了研究。这两种材料都是钙钛矿型氧化物，而且是强介电性材料（图2（a））。以前已经确认这些材料具备将应力转换成电动势的压电效果，此次则进一步发现还具备将光转换成电动势的效果注1）。

图2：可通过结晶的生长条件等控制带隙

INRS等的研究小组，通过改变钙钛矿型氧化物Bi2FeCrO6的生长条件和组成，层叠三层带隙各异的层制作了新型太阳能电池。实现了高达8.1％的值。

注1）最近，染料敏化太阳能电池的染料采用钙钛矿型材料（含有机材料）的钙钛矿型太阳能电池实现了20.1％的转换效率，而此次全部采用无机材料，而且元件构造和发电原理也不同。

不过，直到最近，将太阳能转换成电力的效率最高只有1.25％，要想代替现有太阳能电池还有很远的路要走。原因之一是，强介电性氧化物材料一般带隙比较大，会透过一大半的太阳能。

超过了a-Si太阳能电池

INRS等的研究人员此次采用在BFO中添加铬（Cr）的Bi2FeCrO6（BFCO）材料制作了太阳能电池，实现了8.1％的转换效率（图2（b，c））。这个值超过了普通的非晶硅（a-Si）太阳能电池的转换效率。另外，还追上了2010年时的有机薄膜太阳能电池。

新型太阳能电池之所以能成功地大幅提高效率，是因为采用BFCO减小了带隙值，可利用更多的太阳能。而且通过改变结晶生长的条件，可制作具备目标值带隙的材料。

具体来说，INRS等利用激光脉冲沉积（PLD）法制作了BFCO薄膜。通过使激光的脉冲频率在2～14Hz间变化来控制生长速度。生长速度变慢后，在材料中极化的晶粒的直径会变大。由于晶粒的带隙较小，所以生长速度越慢，薄膜整体的实际带隙越小。

INRS等通过控制极化晶粒的直径，使BFCO薄膜的带隙可以在1.43～2.59eV的范围内自由设计和制作。实际层叠三层带隙各异的BFCO制作太阳能电池，获得了此次的值。（记者：野泽哲生，《日经电子》）