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。 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”。 |
