作者：Jeff Hecht

清潔、綠色發(fā)電的光明前景，已經(jīng)吸引了投資者和政府機(jī)構(gòu)對光伏發(fā)電的技術(shù)和生產(chǎn)傾注了巨大投入。在過去的35年間，太陽能電池的效率（即將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率）一直在穩(wěn)步提高（見圖1）。然而相比于半導(dǎo)體電子技術(shù)的發(fā)展步伐，光伏技術(shù)的發(fā)展速度似乎略遜一籌。1977年最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)是蘋果機(jī)，其當(dāng)時(shí)具有1MHz的處理器和4K的RAM存儲(chǔ)空間。然而在過去的33年間，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率僅僅翻了一倍，即從1977年的大約13%提高到了現(xiàn)在的接近28%；相比之下，計(jì)算機(jī)處理器和存儲(chǔ)器的發(fā)展速度則是驚人的。

圖1：從上世紀(jì)70年代中期開始，光伏效率就一直在穩(wěn)步提高。此圖來源于美國國家新能源實(shí)驗(yàn)室。測量結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室利用太陽模擬器在相似的條件下得到的。

 現(xiàn)在，研究人員希望利用新一代太陽能電池將光伏效率再提高一個(gè)臺(tái)階。他們的目標(biāo)并不是尋找新的光伏材料，而是利用新技術(shù)進(jìn)一步提高現(xiàn)有光伏材料的轉(zhuǎn)換效率。研究人員的目標(biāo)之一是優(yōu)化無機(jī)薄膜半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其能以薄膜的形式沉積在廉價(jià)的基底上，從而實(shí)現(xiàn)低成本、大面積的太陽能電池板。研究人員的另一個(gè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)，以提高收光效率、轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電效率。

 碲化鎘效率的倍增

基于無機(jī)半導(dǎo)體的薄膜技術(shù)，已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)大面積太陽能電池發(fā)電設(shè)施方面獲得了市場的青睞，這是因?yàn)樗�可以沉積在玻璃等廉價(jià)的基底上，因此極大地降低了太陽能電池板的價(jià)格。

 使用最廣泛的薄膜材料是碲化鎘（CdTe）。美國國家新能源實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在小尺寸CdTe太陽能電池上獲得了16.7%的轉(zhuǎn)換效率，但是這需要使用昂貴的基底�？屏_拉多州立大學(xué)的W. S. Sampath說，在玻璃基底上CdTe的最高轉(zhuǎn)換效率是13.8%。在玻璃上刻蝕加入電子線路，需要把每個(gè)太陽能電池串聯(lián)起來，這時(shí)轉(zhuǎn)換效率會(huì)降低到10%~11%。

 6月份，國家科學(xué)基金（NSF）授予科羅拉多州立大學(xué)一項(xiàng)為期5年、經(jīng)費(fèi)為45萬美元的項(xiàng)目，旨在建立一個(gè)產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界相結(jié)合的研究中心，主要致力于研究下一代光伏技術(shù)，Sampath為該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。科羅拉多大學(xué)將與Abound America、5N Plus、Pilkington North America、Ion Edge和MBI這五家公司合作，在未來的5年內(nèi)，每家公司都將出資40萬美元資助該項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是將太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到20%或30%，并使之實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

 目前，由First Solar公司量產(chǎn)的低成本CdTe光伏電池是單結(jié)器件，把雙層硫化鎘（CdS）和CdTe沉積在2英寸×4英寸的鈍化的玻璃窗上。Sampath表示：“我們希望保持現(xiàn)有制造技術(shù)的所有優(yōu)勢，并探討更加復(fù)雜的合金和材料，以提高太陽能電池的性能。”

 Sampath表示項(xiàng)目將著眼于多結(jié)結(jié)構(gòu)，包括三重和四重混合物。研究人員正在研究將碲鋅鎘和碲鎂鎘用于短波長，以及將其他化合物用于長波長。目前，研究人員遇到的困難是：不同材料邊界之間的鈍化、以及在不破壞下面一層材料的情況下，如何制作兩層之間的結(jié)。

噴墨法制作薄膜

德州大學(xué)奧斯汀分校的Brian Korgel受NSF資助也在研究改進(jìn)其他薄膜材料的性能，其中包括銅銦鎵硒（CIGS）。CIGS在實(shí)驗(yàn)室中的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20%，但是其商業(yè)化程度卻沒有CdTe高。

 Korgel正在開發(fā)可以直接噴到廉價(jià)基底上的無機(jī)半導(dǎo)體“墨汁”。Korgel表達(dá)了他對CIGS的偏愛，這是因?yàn)?0年來的研究已經(jīng)證明：只有CIGS和CdTe才有可能替代硅、用于制造太陽能電池，但同時(shí)他也在探索其他可能的材料�？蓢娔�打印的材料避免了氣相沉積法所需要的高真空和高溫過程，可以在塑料等柔性材料上噴涂。這有可能將制造太陽能電池的成本降低到現(xiàn)在的10%，這也將會(huì)引發(fā)更多的新應(yīng)用。

 納米結(jié)構(gòu)：納米柱和同軸納米柱

其他研究組正在致力于研究新型太陽能電池結(jié)構(gòu)，以提高光吸收，從而獲得比傳統(tǒng)的太陽能電池更高的電流。這其中的一個(gè)根本問題是如何平衡光吸收和傳導(dǎo)電流。光吸收會(huì)隨著光在半導(dǎo)體內(nèi)傳輸長度的增加而增加，然而半導(dǎo)體層厚度的增加，會(huì)使電子在經(jīng)過時(shí)損失得更多。因此研究人員正在探索使光和電流沿著不同的路徑傳輸。

 其中一個(gè)辦法就是在表面制作規(guī)則的半導(dǎo)體納米柱陣列。光垂直地沿著納米柱產(chǎn)生載流子，而載流子可以水平地傳導(dǎo)到納米柱的側(cè)面，在側(cè)面可以使用電導(dǎo)率高的材料，比如表面的透明導(dǎo)體材料。去年加州大學(xué)伯克利分校的Ali Javey及其同事報(bào)道了這樣一個(gè)例子，他們使用CdS單晶制造納米柱，然后在表面涂覆了多晶CdTe。CdTe吸收了大部分光，同時(shí)CdS納米柱作為電子的導(dǎo)體。^[1]

 波士頓學(xué)院的Michael Naughton表示，在表面制作“同軸納米柱”可能會(huì)比簡單的納米柱獲更好的電導(dǎo)率。這個(gè)結(jié)構(gòu)是通過在硅基底表面沉積一系列涂層形成納米柱（見圖2）。與波士頓學(xué)院的Kris Kempa和Shifeng Ren合作，Naughton在一個(gè)薄金屬層上制作納米柱，然后連續(xù)沉積p摻雜、本征和n摻雜的無定形硅，從而形成納米柱上面的薄膜。在這個(gè)結(jié)構(gòu)上再鍍上一層透明的導(dǎo)體，就形成了同軸納米柱。

圖2：由波士頓學(xué)院的Michael Naughton開發(fā)的同軸納米柱類似于同軸電纜。中間的導(dǎo)體是鍍在硅納米柱上面的鈦金銀薄膜。表面覆蓋n-i-p多層無定形硅，從而形成太陽能電池結(jié)，然后在硅上面再鍍一層透明薄膜。兩個(gè)金屬層分別為電子和空穴提供了導(dǎo)體。

導(dǎo)體可以作為光學(xué)天線來吸收垂直入射在其表面的光，但是其首先被硅層吸收，產(chǎn)生的電子空穴對沿著水平方向傳輸。在結(jié)附近有一個(gè)電場可以分開載流子，因此空穴向一個(gè)導(dǎo)電層移動(dòng)，而電子向另一個(gè)方向移動(dòng)。導(dǎo)體分布在同軸納米層的頂部和底部，從而形成光伏電壓。這樣對光和載流子的分割產(chǎn)生了一個(gè)很厚的垂直層，以提高光吸收效率，同時(shí)也保證了高電導(dǎo)率的薄水平導(dǎo)電層。Naughton最初獲得了9%的能量轉(zhuǎn)換效率。^[2]他說NREL目前已經(jīng)獲得了10.5%的轉(zhuǎn)換效率，該結(jié)果已經(jīng)接近無定形硅12.5%的記錄。

 熱電子轉(zhuǎn)換

Naughton表示，光和載流子的分離只是重新構(gòu)建第三代高效太陽能電池中三個(gè)步驟中的第一步。研究人員同時(shí)還需要捕捉到所有的入射光子而不只是帶隙能量。實(shí)際上，入射光子的確把所有能量都轉(zhuǎn)移給了激發(fā)到價(jià)態(tài)的電子，但是通常情況下，在皮秒時(shí)間內(nèi)由于在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)振動(dòng)而損失了多余的能量。去年，Naughton演示了其中一些光子可以被一個(gè)非常薄的太陽能電池提取，但是光吸收太低，因而沒有實(shí)用價(jià)值。^[3] 6月份，德州大學(xué)奧斯汀分校的朱曉陽（音譯）課題組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更好的辦法來捕獲熱電子。^[4]他們使用硒化鉛量子點(diǎn)，其中電子能級(jí)被一個(gè)遠(yuǎn)高于最高光子能量的能級(jí)分開。這產(chǎn)生了一個(gè)“光子瓶頸”，保證了熱電子不會(huì)因?yàn)閱喂庾拥脑黾佣鴵p失。這使得從硒化鉛量子點(diǎn)產(chǎn)生的熱電子在50fs之內(nèi)被轉(zhuǎn)移到鄰近的二氧化鈦層上（見圖3）。

圖3：太陽光在硒化鉛量子點(diǎn)上產(chǎn)生熱電子，然后在50fs內(nèi)被耦合到二氧化鈦層上。

朱曉陽課題組報(bào)道，從熱載流子中提取所有的能量，可以使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高到66%，超過任何單結(jié)電池的兩倍。Naughton表示，這項(xiàng)工作非常出色，但是它不是太陽能電池。熱電子的提取需要結(jié)合光和載流子的分離，所有的東西需要封裝成太陽能電池并被連接到導(dǎo)線上，而且需要保證在導(dǎo)線上不會(huì)損失熱載流子的能量。沒有人認(rèn)為這是一項(xiàng)很容易的工作，但是新的實(shí)驗(yàn)會(huì)給出更好的方法。

展望

成功的實(shí)驗(yàn)室展示只是通往下一代實(shí)用太陽能電池道路的第一步。但是這項(xiàng)技術(shù)必須保證性價(jià)比，這樣制造商和使用者都能接受。目前最高效的太陽能電池也是最貴的，一般需要最好的太陽能聚光器。太陽能時(shí)代的到來不會(huì)太容易，但是我們已經(jīng)看到了它即將到來的一些令人鼓舞的跡象。

 參考文獻(xiàn)：

1. Z. Fan et al., "Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and flexible substrates," Nature Materials 8, 648–653 (2009); doi: 10.1038/NMAT2493.
2. M. Naughton et al., "Efficient nanocoax-based solar cells," Phys. Status Solidi Rapid Res. Lett. 4, 181–183 (2010); doi: 10.1002/pssr201004154.
3. K. Kempa et al., "Hot electron effect in nanoscopically thin photovoltaic junctions," Appl. Phys. Lett. 95, 233121 (2009).
4. W.A. Tisdale et al., "Hot electron transfer from semiconductor nanocrystals," Science 328, 1543–1547 (June 18, 2010).