光电转换的太阳能电池技术-solarbe文库

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光电转换的太阳能电池技术日本京都工艺纤维大学试制的太阳能电池单元。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。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 ” 。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 ” 。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 10μ A/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 ” 。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。