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量子点太阳能电池——理论转换效率可达75%的未来技术!  

2012-06-04 10:40:05|  分类: 化学物理与电池 |  标签: |举报 |字号 订阅

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         夏普、京瓷及松下(原三洋电机)等日本机电厂商积累了30多年经验的太阳能电池技术,现在已完全过时。在将太阳的光能转换成电能的比率、即“转换效率”方面,如今各家厂商的产品都相差无几。
        市场上最常见的太阳能电池的原材料大多采用多晶硅及单晶硅。多晶硅类太阳能电池的转换效率约为15%,单结晶硅类产品约为20%,近年来性能几乎没有提高。虽然这种采用结晶硅的太阳能电池在理论上可将转换效率提高到大约30%,但如果是需要以较高成品率和较低成本进行生产的量产产品,上述转换效率便似乎已是极限了。
        在性能无法拉开差距的情况下,便宜的中国产品席卷了全球市场。在世界最大太阳能电池市场的欧洲,厂商卖给销售商的批发价近一年来已下降到接近以往的一半,以4月3日申请破产的德国Q-Cells公司为代表,欧美相关厂商破产不断。在日本,各相关厂商的收益也日益恶化。
        要想从无休止的价格竞争中摆脱出来,能够使转换效率获得飞跃提升的技术突破必不可少。各国的太阳能电池厂商及研究机构正在加快新一代技术的开发。
        夏普公司与东京大学纳米量子信息电子学研究机构主任荒川泰彦教授等人联手研究的“量子点太阳能电池”,就是这种新一代技术之一。荒川教授透露:“通过理论计算,可将转换效率提高到75%。日前,在试制设备上达到了19.4%。”
        量子点太阳能电池为什么蕴含着大幅提高转换效率的可能性呢?首先,笔者从普通太阳能电池的基本原理开始介绍吧。
        我们可模式化地将太阳能电池看做这样一种结构:太阳能电池分为充满了电子的“价带”、以及电子可自由运动的“导带”,当价带的电子移动到导带时,即可将电子作为电能输出。
        电子要从价带移动到导带,必须克服位于两者之间的名为“带隙”的能量差。这一过程所需的能量可以从太阳光中吸收。
        电子穿越的带隙越大,可获得的电能也会增大。带隙的大小,可以通过在太阳能电池的材料上下工夫来进行调整。不过,如果为了获得更大的电能而使带隙变得过大,那么能够移动到导带的电子便会减少,转换效率因而降低。
        电子能否穿越带隙,取决于照射到价带的光能是否够大。
        从波长较短的紫外线直至较长的红外线,太阳光由多种波长的光混合而成。而这些光的能量,波长越短则能量越大,波长越长则能量越小。
        当光能小于带隙时,则不能将电子推送到导带,也就无法产生电能。虽然我们也有为了获取这些光能而将带隙减小的想法,但那样获得的电能会变得很小。而且,大于带隙的光能的剩余部分会转换成热量,使得不能用于发电的损耗、即“热能损失”增加。其结果,是转换效率下降。
        如果带隙过大,白白损失的光能会增加,如果过小,则热能损失会增加。之所以说结晶硅类太阳能电池的转换效率极限大约为30%,就是在于这个原因。
        荒川教授等人研究的量子点太阳能电池,在带隙之间设有名为“中间能带”(Intermediate Band)的中继点。显然,在大大扩宽了带隙之后,吸收了比带隙还小的光能的电子可以暂时移动到中间能带。在下一个瞬间再吸收其他的光能,然后“换乘”到导带上去。
        而一次就获得了足够大光能的电子,可以一跃跳过带隙。像这样,希望把从短波长到长波长的光能悉数尽收,从而使转换效率得到飞跃性提高,是量子点太阳能电池的最初创想。
        形成中间能带的,是太阳能电池中散布的微细“颗粒”、即“量子点”。量子点是指边长约为10纳米(纳米为十亿分之一)的箱形半导体微粒子,是荒川教授等人于1982年提出的一种理论。电子被封闭在“箱子”中,由于量子效应,比带隙小的光能也不会被放过,而会被吸收。由此,便形成了电子移动到中间能带的状态。
        通过调整量子点的大小及形状,还可设置多个中间能带。这样一来,便可吸收更广泛波长的光能。荒川教授的计算结果显示,如果设置4个中间能带,转换效率就能达到75%。
        为了实现实用化,荒川教授打算与日本太阳能电池厂商、材料厂商及制造装置厂商等联手设立“量子点太阳能电池研究开发机构”,从2013年度开始正式进行研究开发。研究期限为10年,力争从日本经济产业省、文部科学省以及民营企业那里获得总额为300亿日元的预算。
        最终目标是转换效率达到60%。然后,将继续进行研究,并描绘出在10年以内实现量产的长达20年的长期路线图。
        实现实用化过程中的最大难题,是适用于量子点太阳能电池的材料的开发。目前,荒川等研究人员用砷化镓及砷化铟反复进行实验。今后还将用氮化镓等进行尝试。
        日本尖端技术研究团体“超尖端电子技术开发机构”专务理事稻垣谦三,将与荒川教授一起为量子点太阳能电池研究开发机构的成立而奔走。稻垣专务理事表示,“如果在新组织起步后5年内转换效率还不能超过30%,那么实用化就很难实了”,将实现超过结晶硅类太阳能电池极限的转换效率视为第一个难关。
        荒川教授认为:“在转换效率超过50%的阶段,太阳能电池的用途将一举扩大。”
        荒川教授充满期待地表示:“例如,如果在智能手机及电动汽车上安装超高效率的量子点太阳能电池,那么仅靠光伏发电就能一直使用下去。另外,利用公寓的阳台等不能安装大面积太阳能电池的地方,也许就能供给足以满足家庭耗电量的电力。太阳能电池将产生新的价值,摆脱价格竞争也将成为可能。”
        这种利用中间能带的量子点太阳能电池被称为“中间能带型太阳能电池”。除此之外,“串联式量子点太阳能电池”的开发也在进行。这种方式是将大小各异的量子点层重叠起来,借此扩大所吸收光的波长范围。日本东北大学及美国宇航局(NASA)等已开始着手进行相关研究。
        以往,在结晶硅类太阳能电池研究方面,日本及德国领先一步,夏普及Q-Cells等日德厂商占据了世界市场份额的前位。然而从2000年代中期开始,尚德太阳能电力(SunTech Power)及晶澳太阳能(JA Solar)等中国太阳能电池厂商开始占据排名前列。
        日本及德国开发出的结晶硅类太阳能电池材料及制造装置在中国流通,使得中国企业短时间内就在技术上赶了上来。
        为了使量子点太阳能电池不再重蹈结晶硅类太阳能电池的覆辙,新成立的量子点太阳能电池研究开发机构将对开发出的技术通过专利加以保护,采取彻底的对公司外保密措施,将其限制在日本国内。不仅如此,为了防止技术通过日本材料厂商及制造装置厂商外流,在一定期间内要求其不要将材料及装置卖给海外厂商。荒川等研究人员希望利用日本研发的量子点技术在太阳能电池领域保持技术优势。
        近年来,日本的机电产业面对新兴市场国家厂商,一直处于在技术上取胜、在业务上失败的局面。在量子点太阳能电池领域,需要力争恢复“在技术上取胜、在业务上也取胜”的“获胜模式”。
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