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    光電轉換的太陽能電池技術

    鉅大LARGE  |  點擊量:1013次  |  2019年11月12日  

    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3月19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。園田連續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軌道能級為主要成分構成的“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)增加時,最外層軌道內的3d軌道上電子會增加的元素。具體有鈧(Sc)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)。如果添加元素選擇得當,“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。


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