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提高太阳能电池转换效率的新技术相继面世

http://cn.newmaker.com 8/5/2011 11:25:00 AM 日中环保生态网

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自福岛核电站事故以来，与作为可再生能源代表的太阳能电池新技术开发相关的新闻报道日益增多。最近，2011年7月19日的《朝日新闻》晨报就对日本三菱化学公司的“涂抹式太阳能电池”进行了报道。

媲美薄膜硅太阳能电池的有机薄膜太阳能电池也已面世

“涂抹式太阳能电池”其实就是使用有机物半导体制成的有机薄膜太阳能电池。有机薄膜太阳能电池的实用化面临能源转换效率较低的课题，但三菱化学于日前实现了10.1％这一与薄膜硅型太阳能电池相当的转换效率。有机薄膜太阳能电池是由p型有机半导体与n型有机半导体接合构成的。该公司在p型半导体中采用了苯卟啉(benzoporphyrin)、n型半导体中采用了富勒烯（C60）衍生物，由此提高了转换效率。

这一新技术的原理是，把有机半导体溶解在溶剂中，涂布到汽车车身、家中屋顶及外墙以及窗帘上，然后使其干燥，便可作为太阳能电池使用。当然也可进行印刷。由于无需使用玻璃基板，因此厚度仅为1mm，重量也仅为结晶硅太阳能电池的10分之1。如果量产取得进展，制造成本也能降到原有产品的10分之1。

2011年4月3日的《日本经济新闻》晨报也对三菱化学的这一技术进行了介绍，当时的转换效率为9.2％。该篇报道主要介绍了该技术是与东京大学的共同研究开发的、2015年将把能源转换效率提高到15％、以及该公司力争2015年在太阳能电池相关业务领域实现200亿日元的销售额等。

在东日本大地震发生之前，2011年1月24日的《日本经济新闻》晚报曾介绍了一项通过改进有机薄膜太阳能电池表面的形状、从而提高转换效率的新技术。这是参加由产官学联合设立的技术研究联盟BEANS研究所的九州大学、松下电工公司及琳得科研究组的研究成果，据称通过在形成薄膜的基板表面设置多个直径为40纳米（纳为10亿分之1）的突起，可使转换效率提高到6％。

另外，2011年5月16日的《日刊工业新闻》对东京大学讲师但马启介等的研究成果进行了介绍，据称可通过控制p型与n型有机半导体界面的性质，把电池的输出电压提高到相当于原先1.5倍的0.9V。

使有机薄膜太阳能电池具备色素増感作用

与有机薄膜太阳能电池同样被寄予厚望的是色素增感型太阳能电池。色素增感型太阳能电池就是利用了以电镀及电池为代表的电化学反应的发电系统。

这种太阳能电池是由瑞士联邦理工学院教授Graetzel于1991年发明的。此类电池是把负极以及由铂制成的正极浸于碘溶液中，其中，负极是使色素分子吸附在固定于透明电极上的氧化钛微粒子上制成的。一旦受到光线照射，负极上的色素分子的电子便会被激发并移动到氧化钛电极上，然后色素分子会从碘溶液中夺取电子。另一方面，在正极处，碘溶液从铂电极获取电子。用电线连接正极和负极，电力便会从正极流向负极。日本从1999年开始进行正式研究。从构造上来说，由于电解质溶液位于平面电极之间，因此存在容易漏液的问题。

另外，在地震发生之前，2011年3月4日的《科学新闻》曾报道称，九州工业大学教授早濑修二和新日铁化学公司采用圆柱形电极，成功实现了防漏液，并提高了耐久性。另外，平面的电池还存在一个问题，那就是光线最好是垂直照射到电池上，如果斜着照射上去，效率便会随之下降。另外，采用圆柱形，还可折射入射光线并使之集中于内部。

对于色素增感型太阳能电池来说，能源转换效率提高也是一个重要的研究课题。据2011年6月22日的《日刊工业新闻》报道，东京大学教授濑川浩司等的研发小组开发出了易于吸收波长在700纳米以上的光线的色素，通过使利用现有色素的电池和利用新色素制成的电池重叠，得到了11.3％的转换效率。此前的世界记录是发明者Graetzel教授的12％，但据称如果改良作为电极构成材料之一的氧化钛，也有可能刷新世界记录。

另外还出现了使有机薄膜太阳能电池具备色素増感作用的研究。2011年5月12日的《化学工业日报》介绍了京都大学副教授大北英夫等的研究组通过在有机薄膜太阳能电池上增加多个色素，成功扩大了可用光线范围的研究成果。通过增加可吸收红外线和紫外线的色素，可将红外线、可见光乃至紫外线等较广光谱范围的光转化为电力。与文章开头提到的三菱化学不同，作为有机半导体，大北副教授他们使用了塑料，以前只能利用可见光。

再往前，据2010年9月6日的《日本经济新闻》晚报报道，夏普把利用透镜聚集的强光照射到太阳能电池上，实现了42.1％的能源转换效率。电池通过重叠使用3种转换效率较高、已被用于宇宙发电等的化合物半导体，扩大了可用光线的范围。并照射利用透镜聚集的太阳光，测出了能源转换效率。据报道，在此之前的世界记录是美国企业的41.6％，但夏普打破了这一纪录。夏普计划在2014年之前实现45％的能源转换效率。

而2011年6月1日的《日本经济新闻》晨报上曾刊登了一篇可以说是其续报的新闻报道。据报道，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）将与欧盟共同开始开发聚光型太阳能电池，夏普及大同特殊钢等也将参与其中。其目标是在2014年之前实现45％以上的能源转换效率。

东京大学的风险企业智能太阳能国际公司（Smart Solar International）也开发出了聚光型太阳能电池。该事曾被2010年10月13日的《日本经济新闻》晨报报道。把太阳能电池放入直径8cm的玻璃管中，利用安装于周围的反射镜聚集光线。通过使氟里昂替代物等制冷剂流经玻璃管来冷却电池。如果温度变得太高，太阳能电池的效率会显著下降。但聚光型太阳能电池无论如何温度都会变得比较高。据称通过进行冷却，可将其温度控制在50℃以下。利用制冷剂收集的热量可用于空调等的热源。

量子点太阳能电池也实现了75％的转换效率

另外，据2011年4月25日的《日本经济新闻》晨报报道，东京大学教授荒川泰彦与夏普利用计算机解析找到了实现转换效率在75％以上的太阳能电池的方法。如果在半导体的结晶上形成几纳米至20纳米的微细构造，便会具备封闭电子的性质。这一构造被称为量子点。利用量子点的尺寸，可以改变电子吸收的光线的波长。荒川教授他们使多层铺满量子点的面重叠，构成厚度为10微米（微为100万分之1）的电池。通过优化量子点的配置等，使红外线也可转化为电力，可实现较高的转换效率。

在太阳能电池领域，新技术的提案也陆续面世。暂且不谈日本社会是否会走上“去核化”道路，最大限度的利用自然能源依然是非常重要的。作为自然能源支柱之一的太阳能电池的课题在于电池制造成本的降低、以及能源转换效率的提高。为了解决这些课题而积极提出技术提案，这让我们对其发展前景充满了希望。（特约撰稿人：鸟井弘之）

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