從紫外光及紅外光進行光電轉(zhuǎn)換的太陽能電池技術(shù)

日本京都工藝纖維大學(xué)試制的太陽能電池單元。在p型GaN薄膜中添加Co，并層疊n型材料。帶吸收層的電池單元的尺寸為10mm見方。周圍的細長矩形圖案為電極。左為未添加Co的p型GaN薄膜。

日本京都工藝纖維大學(xué)副教授園田早紀的研究小組2010年三月十九日在“第57屆應(yīng)用物理學(xué)相關(guān)聯(lián)合演講會”上宣布，試制出了可對從紫外光、可視光直至紅外光進行光電轉(zhuǎn)換的太陽能電池。據(jù)稱是在氮化鎵（GaN）等大帶隙的透明化合物半導(dǎo)體中添加錳（Mn）等“3d過渡金屬”實現(xiàn)的。由此，無需制做多結(jié)型電池單元，而直接單純接合即可開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽能電池。雖然目前轉(zhuǎn)移效率還比較低，但開路電壓非常高，已達到約2V。

園田等發(fā)表了題為“在過渡金屬添加氮化物半導(dǎo)體形成紫外-可視-紅外光電轉(zhuǎn)換材料～以簡單元件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新一代超效率太陽能電池目標(biāo)”的演講。園田持續(xù)6次使用限時15分鐘的演講機會，進行了90分鐘的演講。

園田研究發(fā)現(xiàn)，向帶隙寬度高達約3.4eV的透明GaN添加數(shù)％～20％的Mn，其對紫外、可視光直至紅外的大范圍波長的光幾乎具有持續(xù)的高吸收系數(shù)。實際上，通過向p型GaN添加Mn試制的太陽能電池單元與不添加Mn的元件不同，呈黑色不透明狀。

園田表示，這一點可通過以Mn的3d軌道能級為重要成分構(gòu)成的“雜質(zhì)能帶”模型來說明。以前就有向大帶隙半導(dǎo)體材料添加雜質(zhì)，在能級小的電子不能占據(jù)的禁帶中搭建“梯子”，使其可吸收更長波長的光的類似技術(shù)。這種帶隙結(jié)構(gòu)一般被稱為“中間帶”。而此次“機理是否與原來的中間帶相同尚未明確”。

除了Mn之外，還嘗試添加了其他多種3d過渡金屬，得到的結(jié)果大多相同。3d過渡金屬是指原子序數(shù)（原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)）新增時，最外層軌道內(nèi)的3d軌道上電子會新增的元素。具體有鈧（Sc）、鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）。假如添加元素選擇得當(dāng)，“即使是帶隙非常大的氮化鋁（AlN），也可能具有可視光吸收區(qū)域”。

此次試制的太陽能電池單元是在p型GaN中添加了Co。開路電壓（Voc）在1sun下高達2V以上。一般而言，單結(jié)電池單元的開放電壓高達2V以上，則意味著帶隙也很大，只能對可視光中短波長的光（藍及綠等）進行光電轉(zhuǎn)換，而此次并未遇到這種情況。

而另一方面，短路電流密度約為10μA/cm2，比普通結(jié)晶Si太陽能電池的數(shù)值小3個數(shù)量級。原因之一是“電池單元是與電極分離的，連接這兩者的p型GaN的電阻非常大”。這是因為目前還不能使用光刻設(shè)備，未能實現(xiàn)可準(zhǔn)確測量輸出電流的設(shè)計。結(jié)果，目前的電池單元轉(zhuǎn)換效率很低，只有0.01％左右。

基于GaN的太陽能電池方面，最近通過添加In來減小帶隙，從而實現(xiàn)可視光吸收的研發(fā)日益興盛。但在這種情況下，為了將大范圍波長的光轉(zhuǎn)換成電，必須采用變化In添加率等的材料來開發(fā)多結(jié)型電池單元。而此次的研究有助于雖基于GaN但機理完全不同的太陽能電池。