客观日本

实现低碳社会的新技术开发特集(3)

2012年03月21日 科技交流

新一代高效能太阳能电池的开发及展望

1.开发新一代高效能太阳能电池的必要性

人类要想太阳能到2050年成为主要的能量来源,仅靠现有的小规模分散型太阳能发电是遥不可及的,需要依靠大规模的集中型太阳能(兆/千兆太阳能)发电。这种大规模太阳能发电,起初被认为可以用单位发电量下电池制造成本较低的化合物薄膜型太阳电池来进行,然而随着发电规模的扩大,这种方法也达到了极限,因为大面积铺设面板的建设成本和维护费用的庞大,以及由此回收电力的电缆损耗越来越明显。此外,面板上的配线银材料、保护面板的玻璃材料也受资源限制,可以预见这些材料的价格将随面板生产量的增加而持续高涨。

以往的太阳能电池技术开发都是以大面积化为前提,不怕牺牲转换效率,想方设法将重心放在减少电池单位面积相当的制造成本上。其中薄膜太阳能电池和有机系太阳能电池就是典型的例子。然而即便能在一定程度上减少电池单位面积相当的成本,也会伴随电池之外的材料以及面板的设置成本所占比例的提高,这些成本也会按照一定的比例相应的提高面积,因此导致无论电池单位面积相当的制造成本下降多少,总成本也不会降低。

另一方面,若不增加设置面积而使能源产生量增加的话,就必须提高光电转换效率。而根据以往的常识来看,转换效能高的电池(比如化合物半导体单结晶多结合电池)的单位面积制造成本会随着效能的增加而不断提高,因此一般只能在航空及军事等特殊方面使用。而最近,随着CSP(concentrating solar thermal power plant)等太阳热利用技术相关的聚光技术的开发,这种聚光技术与太阳能发电相结合后,即便采用上述的高效能电池,预计也有可能进行低成本发电。

也就是说,如果与1000倍聚光倍率的光学系结合,电池单位面积的制造成本能同等减少1/1000。一旦采用这种方式,电池的制造成本就根本不是问题,更甚者应该是转换效能提高1%,能源制造成本也能随之下降。此外,这还意味着将从以往原材料资源有限这一制约技术发展的瓶颈中解放出来。换句话说,为使电池组件的必要型号减少至聚光倍率分之一,电池原材料、电极材料、电池实际组装材料的需要量也就是聚光倍率之一。

进一步来说,此处占据面积的仅仅是光学系,面板之间也不需要电缆来连接,因此基本不会发生故障。也就是说与铺设薄膜电池的面板相比,在面积大幅减少的基础上,无论是建设成本还是维护费用都有可能大幅降低。与CSP的亲和性也较高,能将CSP设备直接转用成PV(太阳能发电)设备。此时,原本应该经过光能→热能→机械能→电能的能源转换路径,而现在直接实现了由光能→电能的直接能源转换路径,可以得到明显的效能提高,达到能源成本降低的效果。此外,只需将设置在聚光塔上的PV组件转换为最新型号,就能实现机械设备的升级,还能结合技术进步,同时保持发电设备的良好性能。

由上可知,太阳能电池今后的研究开发重点,将由降低电池制造成本转移到提高光电转换效能上来。最近,世界范围内由化合物半导体单结晶电池引发的高效能化竞争愈演愈烈即是这个倾向的最好佐证。现在的聚光时转换效能的世界纪录是41.6%(364倍聚光,美国Spectrolab/NREL)

另外,如果导入化合物半导体量子点技术形成中间带状构造,从理论上来说,可以预测不超过70%的转换效能,由量子点电池引起的电流增加在实验室水平上已经能够观测到。正如这样,超越以往转换效能界限的新型太阳能电池的出现,可以称得上是太阳能电池研究开发领域的重大突破,并且由于有着以往作为大电流发光设备材料、强力电子设备材料使用的实绩,形成这些太阳能电池的材料在遇到聚光时强光曝晒时的可靠性从开始就得到验证,正可谓拥有大电力发电所需要的理想潜能。

在此背景下,经济产业省于2008年启动了题为“创新型太阳能发电技术的研究开发”的7年国家研究开发计划,以东京大学·丰田工业大学为试验基地推进第三代超高效能太阳能电池(化合物半导体异质晶膜多接合太阳能电池以及量子点中间带状太阳能电池)的研究开发。在今后将攻克的与第三代高效能电池相关的课题中,包括光电转换效能的进一步提高(超越50%,目标70%)自不用说,还包括基板的大面积化,高倍率聚光时·大电流流动时的可靠性保证,热放散·冷却构造的探讨,宽带无反射涂层的开发,高依赖度组件的实际组装,低成本高精度聚光光学系以及追尾系的开发等等。更为重要的是,以往的化合物半导体异质晶膜成长技术是少量多品种生产的高成本制造技术,必须将这种技术转化为大量生产的低成本制造技术。为此现在正在推进长反应炉的根本改造等工程。

下文将介绍上述国家计划中涉及的新一代高效能太阳能电池开发,尤其是笔者和专家针对III-V族化合物半导体串列太阳能电池的效能提高方面的研究。

 2.III-V族串列太阳能电池的现状和课题

 太阳照射到地面上的光子如图1所示,具有从可视到红外的广范围的能源分布。串列太阳能电池可以十分有效地层压由不同带隙材料构成的pn接合,这样能尽可能多地吸收这种光子、让光子所拥有的能源以低耗损转变为电压。其中,有效利用了化合物半导体所具有的多样格子定量和带隙关系的InGaP /GaAs /Ge的3层接合电池,其特征是结晶格子的大小所聚集的高品位单结晶所带来的高变换效率,根据报告据说目前变换效率超过41%。InGaP、GaAs、Ge所构成的3层pn接合构成串联接续的状态,虽然电流只能获取单一电池吸收的电流,但是电压却可以得到3块电池的合计电压。

如图1所示,从各材料的带隙关系中用GaAs可以聚集到的光子流动较小,其结果是,在原理上从GaAs电池流出的电流输出力比其他小,这样就决定了串联电池全体的电流输出力。为了能够获取更高效的串联电池,需要在中间电池上使用比GaAs更狭小的带隙材料。但是,如图2所示,狭小的带隙材料比Ge的格子定量还要大,所以在取向性成长中会引起格子缓和导致转位产生的输送特性劣化。为了打破这种材料上的制约,大概有三种途径:(1)一方面对Ge进行格子整合同时探索具有狭小带隙的新材料(2)放弃Ge和上层单元之间的格子整合,左右电池特性的pn接合的近旁之外导入格子缓和层继续取向性生成(3)放弃取向性生成的积层,通过晶片贴合等的程序技术制作串联电池。

现在探索最为成功的途径是第(2)种,但是我们更关注第(1)种,也就是目标指向取向性生成的高度化带来的效率提高。除了结晶构造外,从制造技术的角度去探讨和研究也非常重要。III-V串联太阳能电池设想了在聚光下的使用,即便如此,年间要生产1GW的模块就需要年间增长200万个4英寸的晶片。而为了采取应对措施,需要使用高产量的有机金属气相成长(MOVPE)。目前的MOVPE技术能够实现大面积成长的是InGaAP系量子井。因此,在通过MOVPE技术进行的In GaAs/GaAsP弯曲补偿量子井的生成技术的基础上进行研究开发。

 3.InGaAs/GaAsP变形补偿量子井太阳能电池

在临界膜厚度以下层压格子定量不同的结晶,使面内方向的格子定量一致,使层压方向的格子间隔变换的拟格子整合生成,这在半导体激光等的光器件中自古就有所应用。将各层的变形根据层厚的加重平均值趋近于零的话,可以回避格子缓和,不用导入转位也可以到达多层的层压。作为高输出力半导体激光、层叠激光等多数的量子井所需要的光器件不可缺少的东西,这样的变形补偿量子井其研究也一直得以进行下来。在对太阳能电池的应用方面,为了最大限度地吸收光,特别是需要多层(50层以上)的层压,因此就需要更加精细的变形控制。

为从In GaAs/GaAsP量子井中得到1.2eV的吸收端,各层需要10nm的厚度,In、P都需要0.2程度的组成。与Ge的格子定量差为1%。这样的话,通过对成长条件的调整可以达到多层量子井的成长。图3是实验中成长的In0.16Ga0.84As (7.6nm) /GaAs0.79P0.21 (11.6nm)100层的量子井。在串联电池内导入量子井之际,最终是要插入到GaAs的pn连接中,在GaAs基板上正在生成。从X线衍射就可以计算出平均变形为-21ppm。如果使用精密的变形补偿,即使生成100层转位也基本上不会被发现。

 4.对于未来高效能化的展望

串列电池在结晶成长以及连接技术的制约下可以增加接合数来提高效能,但转换效能很难超过50%。下面提出了几种应该能超越这个界限的、基于新原理的太阳能电池。

(1)中间带状电池:形成带隙的中央附近孤立的能源准位(中间准位),随着带间的迁移,逐次在2个光子间逐个进行传导带→中间准位→价电子带的迁移。由此,比之带隙更能轻而易举地将低能源的光子提高转换为持有带隙能源的电子·空穴对,从而实现高转换效能。

(2)热载流子电池:将拥有比光吸收层的传导带端还要大出一定值能源的电子,通过能源过滤层传导到电极。拥有比透过带区域还要大的能源电子,将过剩的能源传导到传导带端附近的低能源电子上。通过这种过程,拥有分布在传导带的能源的所有电子都通过能源过滤层传出,获得比带隙更大的输出电压,由此减少由带端缓和引起的能源损失,从而实现高效能。

(3)多激子电池:比之带隙更能轻而易举地由大能量的光子产生的电子·空穴在带端缓和时,由于离子的影响化将会生成另外的电子·空穴对。即:在能源保存的范围内,通过由1个光子产生多个电子·空穴对来实现高效能。

  这些电池利用的是流子的中间准位或是高能源状态的缓和迟缓。因此,由难以引发由拥有离散能源准位的声子散乱缓和的纳米粒子或者量子点的集合体来佐证这些原理,这些研究正在进行的过程中。然而,纳米粒子的集合体在粒子间的离子输送上存在问题,离子的空间输送上表现突出的量子点在点的型号和排列状态的控制等方面还在研究中,这些都表明要实现超高效能电池的纳米构造形成还欠缺很多努力。

 5.小结

使用聚光型多连接电池的大规模太阳能发电站目前已达到了实用水平,但是在把握其低成本化关键的转换效能的提高方面,非格子整合系的结晶生成、新材料、量子构造的导入、晶片连接基板剥离等基础性的研究开发必不可少,尤其是III-V族化合物半导体的结晶生成技术是转换效能、生产性提高的中心课题。

目前我们对于高效率的新一代电池寄予了很大的期待,但是在考虑到实现途径过程中积层量子点构造形成技术的水准,甚至太阳能电池所谋求的生产性提高等要求的时候,可想而知,本文所介绍的量子构造多连接电池在不久的将来很可能会成为高效电池的主力军。最后,在此也对协助本次共同研究的杉山正和、种村拓夫、肥厚昭夫、渡边健太郎、杉田宪一等各位先生深表感谢。

 

中野 义昭

1982年毕业于东大工业电子系,1984年毕业于东大硕士研究生,1987年毕业于东大博士研究生,工博、同年东大电子助手,1988年担任东大讲师,1992年担任东大助教授,2000年担任东大教授,2002年担任东大先端科学技术研究中心教授,2008年担任该中心副所长至今。期间,从事化合物半导体的结晶成长和以其为基础的发光器件、光控制器件、光集聚回路、太阳能电池的研究。

 

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