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日本开发出近红外线光电转换单元利用等离子体共振增感

http://cn.newmaker.com 10/9/2010 10:18:00 AM 日经BP社

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日本北海道大学电子科学研究所所长、三泽弘明教授的研究小组开发出了利用等离子体共振对近红外线进行增感的光电转换单元。该单元已在2010年9月29日～10月1日于东京有乐町东京国际论坛举行的“Innovation Japan 2010”上展出。由于该单元只对近红外线具有灵敏度，对大部分可视光线的透明性都很高，因此将其覆盖在以往Si类太阳能电池上使用，便有可能将占太阳光能源约4成的红外线用于太阳电池的转换效率。

等离子体共振是一种光与金属表面的电子发生共振的现象。利用这一现象来提高太阳能电池效率的技术最近受到众多研究机构的关注。此次，三泽的研究小组以类似色素增感型太阳能电池的构造，制造了只利用波长600～1300nm附近的近红外线的光电转换单元。

制造时，在单结晶氧化钛（TiO2）底板上以光刻蚀工艺形成金（Au）微细图案。图案为大约80～170nm见方的矩形和椭圆形Au薄膜、以几乎相同于该尺寸的间隔排列而成的阵列状。三泽的研究小组将该图案称为“光天线”。光电转换单元通过以该图案为阳极，以透明电极为阴极，电极间为起电解液作用的氯化钾（KCl)水溶液制造而成。

此次单元的特点在于使用了TiO2单结晶底板。据该研究小组介绍，虽然日本国内也有在色素增感型太阳能电池的增感方面利用等离子体共振的案例，但都是直接在色素増感型的状态下使用TiO2微粒的做法，因此单元对可视光也具有灵敏度。

三泽的研究小组发现，通过改变Au薄膜的形状及尺寸，可控制产生共振的近红外线波长。具体为，1个尺寸为80nm见方的Au薄膜会对超过700nm的波长具有高灵敏度，加大Au薄膜的尺寸，可吸收的红外线的波长也会增大。Au薄膜加大到170nm见方的话，会与900nm附近的波长产生强烈共振。

共振的红外线的波长存在上限。由于Au和TiO2的能带构造的关系，“1200～1300nm附近的波长为理论极限值”（该研究小组的西岛喜明）。

形成Au薄膜图案的TiO2底板对可视光的光透过率高达70～80％，与普通玻璃相当。因此，将该单元层叠到已有Si类太阳能电池上使用时，便有望提高Si类太阳能电池的转换效率。这一点与以往多结太阳能电池按照从短波长到长波长的顺序来吸收光的设计大为不同。

不过，目前还存在许多课题。测试各波长的单元转换效率时，在波长超过700nm和超过1000nm的附近得到了约4％的数值。“还谈不上高”（西岛）。

三泽的研究小组今后将在Au薄膜中进一步嵌入微细构造以提高增感效果，并在此基础上与Si类太阳能电池组合使用。目标是5年后以面积为15cm2的单元实现转换效率达到26％以上的太阳能电池。（记者：野泽哲生）

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