“全球首次試制出了量子點型太陽能電池模塊。計劃2020年前后通過改良實現40％以上的模塊轉換效率”——東京大學尖端科學技術研究中心教授岡田至崇。

　　從模塊上部看單元時

　　東京大學全球首次試制的是配備4個量子點型太陽能電池單元的模塊。采用將12cm見方的聚光鏡聚集的太陽光傳遞到5.5mm見方的各單元中的構造。***行政院原子能委員會核能研究所在105倍聚光狀態(tài)下，測量到的模塊轉換效率為15.3％（圖1）。

　　圖1：試制模塊，測量轉換效率

　　東京大學試制了配備4個量子點單元的模塊，測量了轉換效率。為進行比較，在模塊的另一半配備了4個GaAs單元。（圖由本刊根據東京大學的資料制作）

　　此前美國Cyrium Technologies公司采用量子點的單元已經實現了實用化。不過那是為了增加化合物多接合型太陽能電池單元的電流量而插入的單元，量子點只發(fā)揮輔助作用。當時利用了改變量子點直徑控制吸收波長的“量子尺寸效應”。

　　而東京大學成果的特點是利用了通過使量子點間進行電子耦合而產生的“中間帶”。在價帶和導帶之間形成中間帶，使之成為電子的新激發(fā)路徑，從而增加發(fā)電量。此次在GaAs母材中形成了5層InAs量子點，確認可以作為中間帶發(fā)揮作用（圖2）。該材料系的單元轉換效率的理論極限值高達50％左右。

　　圖2：形成5層量子點層

　　在GaAs基板上形成了5層InAs量子點層（a）。有量子點的模塊增加了開路電壓，確認了量子點的功能（b）。（圖由本刊根據東京大學的資料制作）

　　2012年內超過20％

　　不過，無論理論極限值有多高，此次的模塊轉換效率也只不過才達到與普通的結晶硅型太陽能電池模塊相同的水平。對此，岡田自信地表示，“存在的問題已經明確，能在短期內實現超過結晶硅型的成果”。目前正為下一次測量試制新的單元。

　　目前在推進的舉措包括：（1）降低單元連接電極的布線接觸電阻；（2）為抑制發(fā)熱導致效率降低，縮小單元尺寸減少各單元的電流量；（3）為增加量子點數量，將量子點層數增至20～25層。通過這些舉措，2012年內模塊轉換效率將超過20％（圖3）。另外，通過實現單元的小型化，可縮短聚光鏡的焦點距離，因此還能減薄模塊厚度。

　　圖3：計劃2020年使模塊轉換效率超過40％

　　東京大學計劃2012年內使模塊轉換效率超過20％，2015年之前提高到25％以上。另外，目標是2020年超過40％。

　　計劃通過追加二次聚光鏡等在2015年之前使模塊轉換效率超過25％，2020年前后超過40％。要想超過40％，需要考慮進一步該如何改善，比如進一步增加量子點數量、在背面追加反射層、將母材變更為InGaP等來提高聚光倍率。其中，背面反射層目前正是實施準備實驗。

　　低成本制造超高效率的模塊

　　量子點型太陽能電池的競爭技術有化合物多接合型太陽能電池。化合物多接合型太陽能電池已經得到了人造衛(wèi)星等的采用，目前聚光時的模塊轉換效率約為30％。但制造成本較高，在地面上沒有得到廣泛普及。另外還存在一大課題，即需要根據因地區(qū)而異的太陽光波長進行定制。

　　而量子點型太陽能電池正在推進通過涂布等方法形成量子點的研究。如果能與該成果相結合，“就有望以低成本制造超高效率的柔性模塊”（岡田）。今后在提高轉換效率的同時，還考慮在室外設置模塊，確認年發(fā)電量的優(yōu)勢性。