2010年提出新原理太陽能電池的伯克利實(shí)驗(yàn)室的兩位實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室）

采用不同于pn結(jié)的新原理太陽能電池取得了重大進(jìn)展?？梢哉f，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(xué)研究院（INRS）、意大利羅馬第二大學(xué)（UniversityofRomeTorVergata）和加拿大麥吉爾大學(xué)（McGillUniversity）的研究人員。研究人員采用具備強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)體材料中生成的電子和空穴的載流對進(jìn)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(jī)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(yán)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(dǎo)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(qiáng)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(dāng)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(shí)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(shí)現(xiàn)全新的功能，即在元件內(nèi)部對太陽能電池的輸出進(jìn)行電控制。

將應(yīng)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(shí)驗(yàn)室（BerkeleyLab）的研究人員2010年提出的。之后，作為候補(bǔ)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(jìn)行了研究。這兩種材料都是鈣鈦礦型氧化物，而且是強(qiáng)介電性材料（圖2（a））。以前已經(jīng)確認(rèn)這些材料具備將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電動勢的壓電效果，此次則進(jìn)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(jī)材料）的鈣鈦礦型太陽能電池實(shí)現(xiàn)了20.1％的轉(zhuǎn)換效率，而此次全部采用無機(jī)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(yuǎn)的路要走。原因之一是，強(qiáng)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(shí)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(jī)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?yàn)椴捎肂FCO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(biāo)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(shí)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(jì)和制作。實(shí)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》）