单位文秘网 2021-07-25 08:13:52 点击: 次
日本京都工艺纤维大学试制的太阳
能电池单元。在p型GaN薄膜中添加Co,
并层叠n型材料。带吸收层的电池单元的
尺寸为10mm见方。周围的细长矩形图案
为电极。左为未添加Co的p型GaN薄膜。
日本京都工艺纤维大学副教授园田
早纪的研究小组2010年3月19日在“第
57届应用物理学相关联合演讲会”上宣
布,试制出了可对从紫外光、可视光直
至红外光进行光电转换的太阳能电池。
据称是在氮化镓(GaN)等大带隙的透明
化合物半导体中添加锰(Mn)等“3d过
渡金属”实现的。由此,无需制做多结型
电池单元,而直接单纯接合即可开发出
转换效率非常高的太阳能电池。虽然目
前转移效率还比较低,但开路电压非常
高,已达到约2V。
园田等发表了题为“在过渡金属添加
氮化物半导体形成紫外-可视-红外光电
转换材料~以简单元件结构实现新一代
超效率太阳能电池目标”的演讲。园田连
续6次使用限时15分钟的演讲机会,进行
了90分钟的演讲。
园田研究发现,向带隙宽度高达约
3.4eV的透明GaN添加数10%~20%的
Mn,其对紫外、可视光直至红外的大范
围波长的光几乎具有持续的高吸收系
数。实际上,通过向p型GaN添加Mn试制
的太阳能电池单元与不添加Mn的元件不
同,呈黑色不透明状。
园田表示,这一点可通过以Mn的
3d轨道能级为主要成分构成的“杂质能
带”模型来说明。以前就有向大带隙半导
体材料添加杂质,在能级小的电子不能
占据的禁带中搭建“梯子”,使其可吸收
更长波长的光的类似技术。这种带隙结
构一般被称为“中间带”。而此次“机理
是否与原来的中间带相同尚未明确”。
除了Mn之外,还尝试添加了其他多
种3d过渡金属,得到的结果大多相同。
3d过渡金属是指原子序数(原子核内的
质子数)增加时,最外层轨道内的3d轨
道上电子会增加的元素。具体有钪、
钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、
锌。如果添加元素选择得当,“即使是带
隙非常大的氮化铝,也可能具有可视光
吸收区域”。
此次试制的太阳能电池单元是在p型
GaN中添加了Co。开路电压(Voc)在
1 sun下高达2V以上。一般而言,单结电
池单元的开放电压高达2V以上,则意味
着带隙也很大,只能对可视光中短波长
的光(蓝及绿等)进行光电转换,而此
次并未遇到这种情况。
而另一方面,短路电流密度约为
10μA/cm2,比普通结晶Si太阳能电池的
数值小3个数量级。原因之一是“电池单
元是与电极分离的,连接这两者的p型
GaN的电阻非常大”。这是因为目前还不
能使用光刻设备,未能实现可准确测量
输出电流的设计。结果,目前的电池单
元转换效率很低,只有0.01%左右。
基于GaN的太阳能电池方面,最近通
过添加In来减小带隙,从而实现可视光吸
收的研发日益兴盛。但在这种情况下,
为了将大范围波长的光转换成电,必须
采用变化In添加率等的材料来开发多结型
电池单元。而此次的研究有助于虽基于
GaN但机理完全不同的太阳能电池。
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