如今的太陽能電池技術(shù)在提高效率和進一步降低成本上已經(jīng)顯示出局限，打破這一局限的關(guān)鍵在于利用完全不同于以往的技術(shù)。最近，強關(guān)聯(lián)電子體系材料和等離子體等技術(shù)已經(jīng)開始作為此類技術(shù)嶄露頭角。

        “今后的太陽能電池將利用在根本上有別于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的技術(shù)，從帶隙*1.5eV的束縛下解脫出來”——日本理化學(xué)研究所交差相關(guān)物性科學(xué)研究團隊交差相關(guān)超結(jié)構(gòu)研究組組長川崎雅司道出了利用全新技術(shù)打破太陽能電池技術(shù)現(xiàn)有封閉狀況的必要性（圖1）^（注1）。因為對于利用現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)接近極限的轉(zhuǎn)換效率，采用新技術(shù)有望使其一舉增加好幾倍。

圖1：趕超第3代勢頭猛，高效率低價格的“第4代”太陽能電池技術(shù)受到關(guān)注 圖中展示了圖6的未來。除了長期受到期待的利用量子點和異質(zhì)多結(jié)的“第3代”太陽能電池技術(shù)之外，基本不使用半導(dǎo)體技術(shù)的“第4代”技術(shù)也有可能崛起。第4代的理論轉(zhuǎn)換效率可達80％以上。

（注1）川崎先生還是東京大學(xué)工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)量子相電子研究中心教授。

        *帶隙＝半導(dǎo)體中禁帶的大小。在光電轉(zhuǎn)換中，有時也略微寬泛地代指材料中電子等載流子能夠穩(wěn)定存在的能級之差。是能夠用于發(fā)電的光子的能量閾值。

只使用部分陽光

        如今已經(jīng)投產(chǎn)的多數(shù)太陽能電池模塊是利用晶體硅型等“第1代”，以及薄膜Si型等“第2代”技術(shù)制造，轉(zhuǎn)換效率為10～20％。為了使轉(zhuǎn)換效率再提高哪怕1個百分點，各廠商還在繼續(xù)進行著開發(fā)。但是，從仰仗于改善傳統(tǒng)技術(shù)的“第2.5代”技術(shù)來看，在這幾年內(nèi)還沒有能夠飛速提高轉(zhuǎn)換效率的眉目。

        其原因在于半導(dǎo)體技術(shù)在利用陽光上存在局限。具體來說，就是太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的理論上限基本取決于半導(dǎo)體材料的帶隙（圖2）。

圖2：半導(dǎo)體的“帶隙束縛” （a）是各種半導(dǎo)體材料的帶隙及其轉(zhuǎn)換效率的理論上限。均設(shè)想為單結(jié)型單元。（b）是得出（a）中理論上限的理由。上限由帶隙對于長波長側(cè)光的損失與對于短波長側(cè)光的損失的平衡決定。

        在陽光中，能量低于帶隙，也就是長波長的光線無法用于發(fā)電，全部都屬于損耗。另一方面，能量高于帶隙太多同樣也會增加損耗。這是因為按照一般來說，無論是入射至半導(dǎo)體的光子的能量略高于帶隙，還是遠(yuǎn)高于帶隙，1個光子激發(fā)的電子-空穴對（激子）都只有1組，而且只能獲得與帶隙相當(dāng)?shù)碾娔堋９庾佣嘤嗟哪芰孔詈髸D(zhuǎn)化成熱能丟失。

        根據(jù)上面雙方損耗的平衡，損耗總量最小的，是帶隙在1.5eV左右的材料。但這距離最大限度利用原有陽光能量還相差甚遠(yuǎn)。因此，帶隙只有一個的單結(jié)太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率最高約為30％。

第3代技術(shù)也顯封閉

        作為這項課題的解決措施，被稱為“第3代”的量子點/量子阱技術(shù)，以及疊加種類迥異材料的異質(zhì)多結(jié)技術(shù)正在研究之中。但這項技術(shù)也早早地出現(xiàn)了封閉的狀況。

        第3代技術(shù)雖然多樣化，但是，如果排除“MEG（多重激子產(chǎn)生）型”太陽能電池，這些技術(shù)都有一個共通點，即理論基礎(chǔ)都是帶隙不是一個，通過像多重篩子那樣準(zhǔn)備多個帶隙，吸收多個波帶減少損耗（圖3）。因此，有些技術(shù)在理論上甚至能夠達到75％的轉(zhuǎn)換效率。

圖3：第3代太陽能電池的技術(shù)與課題 現(xiàn)在成功投入實用的只有多結(jié)型單元（a）。中間帶型、熱載流子型和MEG型等單元都還在使用量子點和量子阱進行開發(fā)（b～d）。

        但是，在實際制造的第3代太陽能電池中，還沒有轉(zhuǎn)換效率超過現(xiàn)有太陽能電池的先例。而且，形成多級帶隙的技術(shù)絕大多數(shù)需要采用昂貴的材料和非常復(fù)雜而且精密的“超晶格”元件結(jié)構(gòu)。制造過程也需要高溫、高真空。因此，即使能得到高轉(zhuǎn)換效率，也可能因制造成本增加而得不償失。某太陽能電池研究員認(rèn)為，低成本的實用化“估計要在20年后，根據(jù)情況甚至要等到30～40多年以后”。

        另一方面，MEG的帶隙仍是只有一個，能夠利用1個光子，按照其能量大小激發(fā)出多個激子。雖然是一項超越半導(dǎo)體和利用帶隙的傳統(tǒng)常識的技術(shù)，但因采用比較簡單的元件結(jié)構(gòu)，因此有望以低成本實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換率。但截至目前，還沒有利用實際制造的太陽能電池明確確認(rèn)到MEG可以發(fā)電的事例^（注2）。

（注2）有為發(fā)現(xiàn)MEG而發(fā)電成功的先例。例如，日本電氣通信大學(xué)豐田太郎、沈青研究室為發(fā)現(xiàn)MEG正在研究使用涂布工藝制造量子點增感型太陽能電池，目前已取得4.92％的轉(zhuǎn)換效率。已初步找到發(fā)現(xiàn)MEG的證據(jù)。（《日經(jīng)電子》記者：河合基伸、野澤哲生；硅谷支局：Phil Keys）