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圖1：超越第3代勢頭猛，高效率低價格的「第4代」太陽能電池技術受到關注
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多結的「第3代」太陽能電池技術之外，基本不使用半導體技術的「第4代」技術也有可能崛起。第4代的理論轉換效率可達80％以上。


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



*帶隙＝半導體中禁帶的大小。在光電轉換中，有時也略微寬泛地代指材料中電子等載流子能夠穩定存在的能級之差。是能夠用於發電的光子的能量閾值。

只使用部分陽光

如今已經投產的多數太陽能電池模組是利用晶體矽型等「第1代」，以及薄膜Si型等「第2代」技術製造，轉換效率為10～20％。為了使轉換效率再提高哪怕1個百分點，各廠商還在繼續進行著開發。但是，從仰仗于改善傳統技術的「第2.5代」技術來看，在這幾年內還沒有能夠飛速提高轉換效率的眉目。

其原因在於半導體技術在利用陽光上存在局限。具體來說，就是太陽能電池轉換效率的理論上限基本取決於半導體材料的帶隙（圖2）。


圖2：半導體的「帶隙束縛」
（a）是各種半導體材料的帶隙及其轉換效率的理論上限。均設想為單結型單元。（b）是得出（a）中理論上限的理由。上限由帶隙對於長波長側光的損失與對於短波長側光的損失的平衡決定。

在陽光中，能量低於帶隙，也就是長波長的光線無法用於發電，全部都屬於損耗。另一方面，能量高於帶隙太多同樣也會增加損耗。這是因為按照一般來說，無論是入射至半導體的光子的能量略高於帶隙，還是遠高於帶隙，1個光子激發的電子-空穴對（激子）都只有1組，而且只能獲得與帶隙相當的電能。光子多餘的能量最後會轉化成熱能遺失。

根據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。因此，帶隙只有一個的單結太陽能電池，轉換效率最高約為30％。

第3代技術也顯封閉

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，以及疊加種類迥異材料的異質多結技術正在研究之中。但這項技術也早早地出現了封閉的狀況。

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


圖3：第3代太陽能電池的技術與課題
現在成功投入實用的只有多結型單元（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（b～d）。

但是，在實際製造的第3代太陽能電池中，還沒有轉換效率超過現有太陽能電池的先例。而且，形成多級帶隙的技術絕大多數需要採用昂貴的材料和非常複雜而且精密的「超晶格」元件結構。製造過程也需要高溫、高真空。因此，即啟動得到高轉換效率，也可能因製造成本增加而得不償失。某太陽能電池研究員認為，低成本的實用化「估計要在20年後，根據情況甚至要等到30～40多年以後」。

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出多個激子。雖然是一項超越半導體和利用帶隙的傳統常識的技術，但因採用比較簡單的元件結構，因此有望以低成本實現高轉換率。但截至目前，還沒有利用實際製造的太陽能電池明確確認到MEG可以發電的事例（注2）。

（注2）有為發現MEG而發電成功的先例。例如，日本電氣通信大學豐田太郎、沈青研究室為發現MEG正在研究使用塗佈工藝製造量子點增感型太陽能電池，目前已取得4.92％的轉換效率。已初步找到發現MEG的證據。（《日經電子》記者：河合基伸、野澤哲生；矽谷支局：Phil Keys）【日中環保生態網】




■日文原文：半導體から太陽電池を解放次世代エレクトロニクス技術で

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■關鍵詞
資源/能源/太陽能