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在“PVJapan2014”上，日本大阪大學產(chǎn)業(yè)科學研究所的研究員江村修一等人提出了不使用pn結(jié)的新原理的太陽能電池方案。理想情況下，這種太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率有望達到70～80％。
新原理的思路是，利用晶體內(nèi)的極性，也就是自發(fā)極化引發(fā)的內(nèi)部電場梯度來分離激子（成對的電子與空穴）。太陽能電池常用的材料Si沒有極性，但不少化合物的晶體都具有強極性。當這些材料在內(nèi)部電場梯度的作用下吸收光子生成激子后，電子與空穴將自發(fā)性地分離至不同方向。按照具體設想，太陽能電池元件的結(jié)構(gòu)是在InN層與電極之間夾入300nm～350nm厚、帶隙為0.92eV的InGaN層。
對于一般的太陽能電池，分離激子、使電子與空穴分別轉(zhuǎn)移到不同電極是由pn結(jié)來完成的。而江村表示，只利用內(nèi)部電場梯度分離激子具有許多優(yōu)點，其中最大的優(yōu)點是能夠減少電子與空穴的復合和熱弛豫。
舉例來說，一般的Si類太陽能電池為了提高光吸收率，僅活性層經(jīng)常就達到數(shù)十μm甚至更厚。這使得大多數(shù)波長短、能量高的光子在遠離pn結(jié)的地方就變成“熱激子”，在抵達pn結(jié)分離成電子和空穴之前，就已經(jīng)因復合和熱弛豫而產(chǎn)生損失。
過去的單結(jié)太陽能電池存在的問題是，波長短于帶隙的光因熱弛豫而損失，而波長較長的光會發(fā)生透射，無法有效利用。這種現(xiàn)象被稱作“Shockley-Queisser limit”，關(guān)系到單結(jié)太陽能電池的最大性能。
而此次提出的新型太陽能電池的光活性層使用的InGaN的厚度為300nm～350nm。據(jù)江村介紹，InGaN不同于Si，屬于直接遷移型，光吸收率高，“只需100nm左右的厚度就能吸收照射光線的1/2”，300nm則可吸收大部分的光線。相對于載流子的壽命，該層到電極的距離也比較短。因此“沒有聲子散射，也不發(fā)生熱弛豫”。這就消除了決定“Shockley-Queisser limit”的兩大損失原因中的一個。
紅外線等長波長電磁波的透射損失依然存在。但是，通過控制InGaN中In的成分，使帶隙縮小到0.92eV后，無法利用的紅外線的能量比可以降低到陽光整體的10％。
江村表示，即使考慮到這10％和光反射等造成的損失，也可以使整體損失降低到20～30％。換言之，在理想情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換效率為70～80％的太陽能電池。
但截至目前，這種太陽能電池還停留在理論階段。江村表示，“今后就要實際制作元件并進行評估”。
新原理的思路是，利用晶體內(nèi)的極性，也就是自發(fā)極化引發(fā)的內(nèi)部電場梯度來分離激子（成對的電子與空穴）。太陽能電池常用的材料Si沒有極性，但不少化合物的晶體都具有強極性。當這些材料在內(nèi)部電場梯度的作用下吸收光子生成激子后，電子與空穴將自發(fā)性地分離至不同方向。按照具體設想，太陽能電池元件的結(jié)構(gòu)是在InN層與電極之間夾入300nm～350nm厚、帶隙為0.92eV的InGaN層。
對于一般的太陽能電池，分離激子、使電子與空穴分別轉(zhuǎn)移到不同電極是由pn結(jié)來完成的。而江村表示，只利用內(nèi)部電場梯度分離激子具有許多優(yōu)點，其中最大的優(yōu)點是能夠減少電子與空穴的復合和熱弛豫。
舉例來說，一般的Si類太陽能電池為了提高光吸收率，僅活性層經(jīng)常就達到數(shù)十μm甚至更厚。這使得大多數(shù)波長短、能量高的光子在遠離pn結(jié)的地方就變成“熱激子”，在抵達pn結(jié)分離成電子和空穴之前，就已經(jīng)因復合和熱弛豫而產(chǎn)生損失。
過去的單結(jié)太陽能電池存在的問題是，波長短于帶隙的光因熱弛豫而損失，而波長較長的光會發(fā)生透射，無法有效利用。這種現(xiàn)象被稱作“Shockley-Queisser limit”，關(guān)系到單結(jié)太陽能電池的最大性能。
而此次提出的新型太陽能電池的光活性層使用的InGaN的厚度為300nm～350nm。據(jù)江村介紹，InGaN不同于Si，屬于直接遷移型，光吸收率高，“只需100nm左右的厚度就能吸收照射光線的1/2”，300nm則可吸收大部分的光線。相對于載流子的壽命，該層到電極的距離也比較短。因此“沒有聲子散射，也不發(fā)生熱弛豫”。這就消除了決定“Shockley-Queisser limit”的兩大損失原因中的一個。
紅外線等長波長電磁波的透射損失依然存在。但是，通過控制InGaN中In的成分，使帶隙縮小到0.92eV后，無法利用的紅外線的能量比可以降低到陽光整體的10％。
江村表示，即使考慮到這10％和光反射等造成的損失，也可以使整體損失降低到20～30％。換言之，在理想情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換效率為70～80％的太陽能電池。
但截至目前，這種太陽能電池還停留在理論階段。江村表示，“今后就要實際制作元件并進行評估”。
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