量子點太陽能電池——理論轉換效率可達75%的未來技術！

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【日經BP社報導】超越目前主流結晶矽類太陽能電池極限的新一代技術的研發正取得進展。利用名為「量子點」的奈米技術，可發電效率獲得飛躍提升。如果開發成功，那麼，僅憑太陽能電池就能工作的電動汽車及智慧手機等或許會成為現實。

        夏普、京瓷及松下（原三洋電機）等日本機電廠商累積了30多年經驗的太陽能電池技術，現在已完全過時。在將太陽的光能轉換成電能的比率、即「轉換效率」方面，如今各家廠商的產品都相差無幾。

        市場上最常見的太陽能電池的原材料大多採用多晶矽及單晶矽。多晶矽類太陽能電池的轉換效率約為15％，單結晶矽類產品約為20％，近年來性能幾乎沒有提高。雖然這種採用結晶矽的太陽能電池在理論上可將轉換效率提高到大約30％，但如果是需要以較高成品率和較低成本進行生產的量產產品，上述轉換效率便似乎已是極限了。

        在性能無法拉開差距的情況下，便宜的中國產品席捲了全球市場。在世界最大太陽能電池市場的歐洲，廠商賣給銷售商的批發價近一年來已下降到接近以往的一半，以4月3日申請破產的德國Q-Cells公司為代表，歐美相關廠商破產不斷。在日本，各相關廠商的收益也日益惡化。

        要想從無休止的價格競爭中擺脫出來，能夠使轉換效率獲得飛躍提升的技術突破必不可少。各國的太陽能電池廠商及研究機構正在加快新一代技術的開發。

        夏普公司與東京大學奈米量子資訊電子學研究機構主任荒川泰彥教授等人聯手研究的「量子點太陽能電池」，就是這種新一代技術之一。荒川教授透露：「通過理論計算，可將轉換效率提高到75％。日前，在試製設備上達到了19.4％。」



分2個階段吸收光能

量子點太陽能電池為什麼蘊含著大幅提高轉換效率的可能性呢？首先，筆者從普通太陽能電池的基本原理開始介紹吧。

        我們可模式化地將太陽能電池看做這樣一種結構：太陽能電池分為充滿了電子的「價帶」、以及電子可自由運動的「導帶」，當價帶的電子移動到導帶時，即可將電子作為電能輸出。

        電子要從價帶移動到導帶，必須克服位於兩者之間的名為「帶隙」的能量差。這一過程所需的能量可以從太陽光中吸收。

        電子穿越的帶隙越大，可獲得的電能也會增大。帶隙的大小，可以通過在太陽能電池的材料上下工夫來進行調整。不過，如果為了獲得更大的電能而使帶隙變得過大，那麼能夠移動到導帶的電子便會減少，轉換效率因而降低。

        電子能否穿越帶隙，取決於照射到價帶的光能是否夠大。

        從波長較短的紫外線直至較長的紅外線，太陽光由多種波長的光混合而成。而這些光的能量，波長越短則能量越大，波長越長則能量越小。

        當光能小於帶隙時，則不能將電子推送到導帶，也就無法產生電能。雖然我們也有為了獲取這些光能而將帶隙減小的想法，但那樣獲得的電能會變得很小。而且，大於帶隙的光能的剩餘部分會轉換成熱量，使得不能用於發電的損耗、即「熱能損失」增加。其結果，是轉換效率下降。

邊長約為10奈米的「量子點」。電子被封閉在其中

        如果帶隙過大，白白損失的光能會增加，如果過小，則熱能損失會增加。之所以說結晶矽類太陽能電池的轉換效率極限大約為30％，就是在於這個原因。

        荒川教授等人研究的量子點太陽能電池，在帶隙之間設有名為「中間能帶」（Intermediate Band）的中繼點。顯然，在大大擴寬了帶隙之後，吸收了比帶隙還小的光能的電子可以暫時移動到中間能帶。在下一個瞬間再吸收其他的光能，然後「換乘」到導帶上去。

        而一次就獲得了足夠大光能的電子，可以一躍跳過帶隙。像這樣，希望把從短波長到長波長的光能悉數盡收，從而使轉換效率得到飛躍性提高，是量子點太陽能電池的最初創想。


無需供電的電動汽車及智慧手機

形成中間能帶的，是太陽能電池中散佈的微細「顆粒」、即「量子點」。量子點是指邊長約為10奈米（奈米為十億分之一）的箱形半導體微粒子，是荒川教授等人于1982年提出的一種理論。電子被封閉在「箱子」中，由於量子效應，比帶隙小的光能也不會被放過，而會被吸收。由此，便形成了電子移動到中間能帶的狀態。

        通過調整量子點的大小及形狀，還可設置多個中間能帶。這樣一來，便可吸收更廣泛波長的光能。荒川教授的計算結果顯示，如果設置4個中間能帶，轉換效率就能達到75％。

        為了實現實用化，荒川教授打算與日本太陽能電池廠商、材料廠商及製造裝置廠商等聯手設立「量子點太陽能電池研究開發機構」，從2013年度開始正式進行研究開發。研究期限為10年，力爭從日本經濟產業省、文部科學省以及民營企業那裏獲得總額為300億日元的預算。

        最終目標是轉換效率達到60％。然後，將繼續進行研究，並描繪出在10年以內實現量產的長達20年的長期路線圖。

        實現實用化過程中的最大難題，是適用於量子點太陽能電池的材料的開發。目前，荒川等研究人員用砷化鎵及砷化銦反覆進行實驗。今後還將用氮化鎵等進行嘗試。


        日本尖端技術研究團體「超尖端電子技術開發機構」專務理事稻垣謙三，將與荒川教授一起為量子點太陽能電池研究開發機構的成立而奔走。稻垣專務理事表示，「如果在新組織起步後5年內轉換效率還不能超過30％，那麼實用化就很難實現了」，將實現超過結晶矽類太陽能電池極限的轉換效率視為第一個難關。

        荒川教授認為：「在轉換效率超過50％的階段，太陽能電池的用途將一舉擴大。」

        荒川教授充滿期待地表示：「例如，如果在智慧手機及電動汽車上安裝超高效率的量子點太陽能電池，那麼僅靠光伏發電就能一直使用下去。另外，利用公寓的陽臺等不能安裝大面積太陽能電池的地方，也許就能供給足以滿足家庭耗電量的電力。太陽能電池將產生新的價值，擺脫價格競爭也將成為可能。」


避免重蹈結晶矽類太陽能電池的覆轍

這種利用中間能帶的量子點太陽能電池被稱為「中間能帶型太陽能電池」。除此之外，「串聯式量子點太陽能電池」的開發也在進行。這種方式是將大小各異的量子點層重疊起來，借此擴大所吸收光的波長範圍。日本東北大學及美國航太總署（NASA）等已開始著手進行相關研究。

        以往，在結晶矽類太陽能電池研究方面，日本及德國領先一步，夏普及Q-Cells等日德廠商佔據了世界市場佔有率的前位。然而從2000年代中期開始，尚德太陽能電力(SunTech Power)及晶澳太陽能（JA Solar）等中國太陽能電池廠商開始佔據排名前列。

        日本及德國開發出的結晶矽類太陽能電池材料及製造裝置在中國流通，使得中國企業短時間內就在技術上趕了上來。

        為了使量子點太陽能電池不再重蹈結晶矽類太陽能電池的覆轍，新成立的量子點太陽能電池研究開發機構將對開發出的技術通過專利加以保護，採取徹底的對公司外保密措施，將其限制在日本國內。不僅如此，為了防止技術通過日本材料廠商及製造裝置廠商外流，在一定期間內要求其不要將材料及裝置賣給海外廠商。荒川等研究人員希望利用日本研發的量子點技術在太陽能電池領域保持技術優勢。

        近年來，日本的機電產業面對新興市場國家廠商，一直處於在技術上取勝、在業務上失敗的局面。在量子點太陽能電池領域，需要力爭恢復「在技術上取勝、在業務上也取勝」的「獲勝模式」。 （《日經商務週刊》記者：吉野次郎）【日經能源環境網】

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