东京大学全球首次试制出量子点太阳能电池模块，转换效率有望超过40％

　　“全球首次试制出了量子点型太阳能电池模块。计划2020年前后通过改良实现40％以上的模块转换效率”——东京大学尖端科学技术研究中心教授冈田至崇。

　　从模块上部看单元时

　　东京大学全球首次试制的是配备4个量子点型太阳能电池单元的模块。采用将12cm见方的聚光镜聚集的太阳光传递到5.5mm见方的各单元中的构造。***行政院原子能委员会核能研究所在105倍聚光状态下，测量到的模块转换效率为15.3％（图1）。

　　图1：试制模块，测量转换效率

　　东京大学试制了配备4个量子点单元的模块，测量了转换效率。为进行比较，在模块的另一半配备了4个GaAs单元。（图由本刊根据东京大学的资料制作）

　　此前美国Cyrium Technologies公司采用量子点的单元已经实现了实用化。不过那是为了增加化合物多接合型太阳能电池单元的电流量而插入的单元，量子点只发挥辅助作用。当时利用了改变量子点直径控制吸收波长的“量子尺寸效应”。

　　而东京大学成果的特点是利用了通过使量子点间进行电子耦合而产生的“中间带”。在价带和导带之间形成中间带，使之成为电子的新激发路径，从而增加发电量。此次在GaAs母材中形成了5层InAs量子点，确认可以作为中间带发挥作用（图2）。该材料系的单元转换效率的理论极限值高达50％左右。

　　图2：形成5层量子点层

　　在GaAs基板上形成了5层InAs量子点层（a）。有量子点的模块增加了开路电压，确认了量子点的功能（b）。（图由本刊根据东京大学的资料制作）

　　2012年内超过20％

　　不过，无论理论极限值有多高，此次的模块转换效率也只不过才达到与普通的结晶硅型太阳能电池模块相同的水平。对此，冈田自信地表示，“存在的问题已经明确，能在短期内实现超过结晶硅型的成果”。目前正为下一次测量试制新的单元。

　　目前在推进的举措包括：（1）降低单元连接电极的布线接触电阻；（2）为抑制发热导致效率降低，缩小单元尺寸减少各单元的电流量；（3）为增加量子点数量，将量子点层数增至20～25层。通过这些举措，2012年内模块转换效率将超过20％（图3）。另外，通过实现单元的小型化，可缩短聚光镜的焦点距离，因此还能减薄模块厚度。

　　图3：计划2020年使模块转换效率超过40％

　　东京大学计划2012年内使模块转换效率超过20％，2015年之前提高到25％以上。另外，目标是2020年超过40％。

　　计划通过追加二次聚光镜等在2015年之前使模块转换效率超过25％，2020年前后超过40％。要想超过40％，需要考虑进一步该如何改善，比如进一步增加量子点数量、在背面追加反射层、将母材变更为InGaP等来提高聚光倍率。其中，背面反射层目前正是实施准备实验。

　　低成本制造超高效率的模块

　　量子点型太阳能电池的竞争技术有化合物多接合型太阳能电池。化合物多接合型太阳能电池已经得到了人造卫星等的采用，目前聚光时的模块转换效率约为30％。但制造成本较高，在地面上没有得到广泛普及。另外还存在一大课题，即需要根据因地区而异的太阳光波长进行定制。

　　而量子点型太阳能电池正在推进通过涂布等方法形成量子点的研究。如果能与该成果相结合，“就有望以低成本制造超高效率的柔性模块”（冈田）。今后在提高转换效率的同时，还考虑在室外设置模块，确认年发电量的优势性。