2010年提出新原理太陽能電池的伯克利實驗室的兩位實驗人員，左為論文的第二作者JanSeidel，右為論文的主要作者Seung-YeulYang（攝影：伯克利實驗室）

采用不同于pn結(jié)的新原理太陽能電池取得了重大進展。可以說，離轉(zhuǎn)換效率超過Si類太陽能電池的極限又近了一步。

開發(fā)新原理太陽能電池的是加拿大國立科學研究院（INRS）、意大利羅馬第二大學（UniversityofRomeTorVergata）和加拿大麥吉爾大學（McGillUniversity）的研究人員。研究人員采用具備強介電性*等性質(zhì)的氧化物材料，試制了轉(zhuǎn)換效率為8.1％的太陽能電池元件。

*強介電性＝外部無電場也能自發(fā)極化的晶粒按一定方向排列，該方向和這種強度的電場帶來的變化呈現(xiàn)磁滯特性的性質(zhì)。無電場時的自發(fā)極化還稱為殘留極化。

不依賴pn結(jié)就能分離電荷

能夠超越Si類太陽能電池的極限主要得益于發(fā)電原理。對隨著光照在半導體材料中生成的電子和空穴的載流對進行分離的原理跟以前大不相同（圖1）。

圖1：擺脫帶隙（Eg）的束縛

圖為新型太陽能電池與現(xiàn)有太陽能電池的發(fā)電原理差異。不同的是，利用光激發(fā)的電子與空穴的成對載流子的分離方法。Si類太陽能電池等利用pn結(jié)分離載流子（a），而有機太陽能電池主要利用LUMO和HOMO各異的材料分離載流子（b）。染料敏化電池也（b）差不多是這樣。而新型太陽能電池完全不利用pn結(jié)，是通過自發(fā)極化的內(nèi)部電位梯度來分離載流子。這樣，有望大大改變太陽能電池的發(fā)電性能嚴重受帶隙限制的情況。

以往的太陽能電池是采用p型和n型半導體的組合（pn結(jié)）等來分離載流子，新型太陽能電池完全不采用pn結(jié)，而是利用強介電性材料內(nèi)部殘留的具備自發(fā)極化特性的晶粒和晶界來分離載流子。

基于這一原理的太陽能電池有四大優(yōu)勢：（1）以往的太陽能電池只能在pn結(jié)附近的耗盡層分離載流子，而新型太陽能電池能在材料整體分離載流子；（2）以往的太陽能電池的電動勢最大也就相當于帶隙，而新型太陽能電池沒有這個界限；（3）通過采用氧化物材料，制作高純度Si單晶等的成本降低；（4）通過從元件外部加載一定的電場，可將極化現(xiàn)象減為零。

INRS等表示，利用（1）～（3）的性質(zhì)，將來能以低成本實現(xiàn)超過現(xiàn)有Si類太陽能電池極限的轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)有Si類太陽能電池的極限轉(zhuǎn)換效率為34％。而且，利用（4）的性質(zhì)還有望實現(xiàn)全新的功能，即在元件內(nèi)部對太陽能電池的輸出進行電控制。

將應力和光轉(zhuǎn)換成電動勢

這種發(fā)電原理是美國國立研究所勞倫斯伯克利國家實驗室（BerkeleyLab）的研究人員2010年提出的。之后，作為候補材料，針對潛力較高的壓電材料鋯鈦酸鉛（Pb（Zr、Ti）O3：PZT）和鐵酸鉍（BiFeO3：BFO）進行了研究。這兩種材料都是鈣鈦礦型氧化物，而且是強介電性材料（圖2（a））。以前已經(jīng)確認這些材料具備將應力轉(zhuǎn)換成電動勢的壓電效果，此次則進一步發(fā)現(xiàn)還具備將光轉(zhuǎn)換成電動勢的效果注1）。

圖2：可通過結(jié)晶的生長條件等控制帶隙

INRS等的研究小組，通過改變鈣鈦礦型氧化物Bi2FeCrO6的生長條件和組成，層疊三層帶隙各異的層制作了新型太陽能電池。實現(xiàn)了高達8.1％的值。

注1）最近，染料敏化太陽能電池的染料采用鈣鈦礦型材料（含有機材料）的鈣鈦礦型太陽能電池實現(xiàn)了20.1％的轉(zhuǎn)換效率，而此次全部采用無機材料，而且元件構(gòu)造和發(fā)電原理也不同。

不過，直到最近，將太陽能轉(zhuǎn)換成電力的效率最高只有1.25％，要想代替現(xiàn)有太陽能電池還有很遠的路要走。原因之一是，強介電性氧化物材料一般帶隙比較大，會透過一大半的太陽能。

超過了a-Si太陽能電池

INRS等的研究人員此次采用在BFO中添加鉻（Cr）的Bi2FeCrO6（BFCO）材料制作了太陽能電池，實現(xiàn)了8.1％的轉(zhuǎn)換效率（圖2（b，c））。這個值超過了普通的非晶硅（a-Si）太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。另外，還追上了2010年時的有機薄膜太陽能電池。

新型太陽能電池之所以能成功地大幅提高效率，是因為采用BFCO減小了帶隙值，可利用更多的太陽能。而且通過改變結(jié)晶生長的條件，可制作具備目標值帶隙的材料。

具體來說，INRS等利用激光脈沖沉積（PLD）法制作了BFCO薄膜。通過使激光的脈沖頻率在2～14Hz間變化來控制生長速度。生長速度變慢后，在材料中極化的晶粒的直徑會變大。由于晶粒的帶隙較小，所以生長速度越慢，薄膜整體的實際帶隙越小。

INRS等通過控制極化晶粒的直徑，使BFCO薄膜的帶隙可以在1.43～2.59eV的范圍內(nèi)自由設(shè)計和制作。實際層疊三層帶隙各異的BFCO制作太陽能電池，獲得了此次的值。（記者：野澤哲生，《日經(jīng)電子》）