日本大阪大学提出新型太阳能电池方案 无pn结转换率有望达70~80%

在“PVJapan2014”上,日本大阪大学产业科学研究所的研究员江村修一等人提出了不使用pn结的新原理的太阳能电池方案。理想情况下,这种太阳能电池的转换效率有望达到70~80%。

新原理的思路是,利用晶体内的极性,也就是自发极化引发的内部电场梯度来分离激子(成对的电子与空穴)。太阳能电池常用的材料Si没有极性,但不少化合物的晶体都具有强极性。当这些材料在内部电场梯度的作用下吸收光子生成激子后,电子与空穴将自发性地分离至不同方向。按照具体设想,太阳能电池元件的结构是在InN层与电极之间夹入300nm~350nm厚、带隙为0.92eV的InGaN层。

上图表示的是,当带隙为0.92eV时阳光利用率可达90%。下图为新型太阳能电池元件的结构和电荷分离的原理。

上图表示的是,当带隙为0.92eV时阳光利用率可达90%。下图为新型太阳能电池元件的结构和电荷分离的原理。

对于一般的太阳能电池,分离激子、使电子与空穴分别转移到不同电极是由pn结来完成的。而江村表示,只利用内部电场梯度分离激子具有许多优点,其中最大的优点是能够减少电子与空穴的复合和热弛豫。

举例来说,一般的Si类太阳能电池为了提高光吸收率,仅活性层经常就达到数十μm甚至更厚。这使得大多数波长短、能量高的光子在远离pn结的地方就变成“热激子”,在抵达pn结分离成电子和空穴之前,就已经因复合和热弛豫而产生损失。

过去的单结太阳能电池存在的问题是,波长短于带隙的光因热弛豫而损失,而波长较长的光会发生透射,无法有效利用。这种现象被称作“Shockley-Queisser limit”,关系到单结太阳能电池的最大性能。

而此次提出的新型太阳能电池的光活性层使用的InGaN的厚度为300nm~350nm。据江村介绍,InGaN不同于Si,属于直接迁移型,光吸收率高,“只需100nm左右的厚度就能吸收照射光线的1/2”,300nm则可吸收大部分的光线。相对于载流子的寿命,该层到电极的距离也比较短。因此“没有声子散射,也不发生热弛豫”。这就消除了决定“Shockley-Queisser limit”的两大损失原因中的一个。

红外线等长波长电磁波的透射损失依然存在。但是,通过控制InGaN中In的成分,使带隙缩小到0.92eV后,无法利用的红外线的能量比可以降低到阳光整体的10%。

江村表示,即使考虑到这10%和光反射等造成的损失,也可以使整体损失降低到20~30%。换言之,在理想情况下,能够实现转换效率为70~80%的太阳能电池。

但截至目前,这种太阳能电池还停留在理论阶段。江村表示,“今后就要实际制作元件并进行评估”。

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