終極太陽能電池：結晶硅型太陽能電池接近理論極限

從太陽能電池的光電轉換效率來看，現在主流的結晶硅型太陽能電池“已經逼近了理論極限”（三洋電機研究開發本部先進能源研究所太陽能研究部部長丸山英治）。結晶硅型太陽能電池的理論轉換效率約為29％。其最大決定因素是結晶硅的固有帶隙。因為用于發電的光線波長有限，所以效率會受到遏制。要想進一步提高效率，就需要采用替代結晶硅的新材料或量子效應等新技術擴大吸收范圍，突破“Si的理論極限”。其目標是超越40％。面向新的目標，太陽能電池的開發即將邁入新紀元（圖1）。

　　圖1：終極太陽能電池的實現過程現在主流的結晶硅型太陽能電池已經逼近理論轉換效率。圖中左起依次為《日經微器件》攝影和日本產業技術綜合研究所、美國NanoGram、京都大學、富士電機控股的數據。

　　2015年左右使效率達到25～26％

　　結晶硅型太陽能電池轉換效率提升的極限最快會在2015年左右到來。作為在結晶硅型太陽能電池表里形成有非晶硅層的“HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）太陽能電池”的獨家生產商，三洋電機于2009年5月在研究中實現了23％的單元轉換效率。該公司表示，這是10cm見方實用尺寸太陽能電池的世界最高紀錄。按照普遍看法，結晶硅型太陽能電池的理論轉換效率約為29％，而實用的最高值為25～26％，由此可見，與最高值的距離只剩下了小小幾個百分點。

　　三洋電機丸山表示：“剩余幾個百分點的轉換效率提升所面臨的課題已經明確，只要花時間拓展現有技術就能穩步實現。”具體的提升幅度如下：減少電極陰影的影響為5％左右，抑制透明導電膜和非晶硅層的光線吸收為5％左右，抑制非晶硅和結晶硅界面缺陷誘發的載流子復合為數％。實用的最高值僅憑這些方法就能夠實現。在此之前，提高轉換效率也一直使用這些方法。如果按照現在的速度提升，那么到2015年左右，實驗室的轉換效率將達到25～26％（圖2）。

　　圖2：HIT太陽能電池逼近理論極限三洋電機的“HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）太陽能電池”有望在今后幾年內達到結晶硅型太陽能電池的極限。2009年之前為三洋電機數據。攝影：《日經微器件》。

　　開發革命性太陽能電池

　　終極太陽能電池是什么樣子的？在NEDO的“革新性太陽能發電技術研究開發”計劃中，三個研究小組爭相拿出了對于轉換效率超過40％的太陽能電池形態的研究成果（圖3）。三者分別希望借助量子效應的使用、多結化和聚光裝置的并用、新材料的采用和光線管理等技術，自主開發高效太陽能電池。其共同點在于充分利用了此前無法使用的大范圍波長的光線。（記者：河合 基伸）

　　圖3：結合各類技術提高效率 NEDO（新能源產業技術綜合開發機構）的“革新性太陽能發電技術研究開發”計劃正在開發的太陽能電池示例。其目標是組合各類技術，充分利用大范圍波長的光線，從而實現超高效率。圖中括號內為材料的帶隙。《日經微器件》根據NEDO的資料制作。