從零開始匯總技術(shù)

        雖然大舉提高轉(zhuǎn)換效率并非易事，但是太陽能電池的技術(shù)開發(fā)競爭已經(jīng)刻不容緩，因此，無論如何首先要進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。作為打開局面的措施，很多研發(fā)活動(dòng)都是回到原點(diǎn)從頭開始探討太陽能電池的所有可能性。利用能夠想到的各種材料進(jìn)行嘗試，其情景堪稱百花齊放。其中一些利用舊材料取得的成果連研究人員自身都感到吃驚（參照“舊材料中驚人發(fā)現(xiàn)不斷”）。

        另外，利用與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)完全不同的方式實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，或著眼于大幅提高轉(zhuǎn)換效率的“第4代”技術(shù)也陸續(xù)出現(xiàn)（圖1，圖4）。開篇提到的挑戰(zhàn)帶隙束縛的措施可稱是其中代表事例。從原理上來說，可實(shí)現(xiàn)超過第3代技術(shù)的80％以上的轉(zhuǎn)換效率，和幾日元/W的超低成本。雖然目前很多新技術(shù)還處于研究開發(fā)階段，但也許會(huì)超越第3代，一躍成為太陽能電池技術(shù)的主角。

成為新一代電子學(xué)的基礎(chǔ)

        第4代技術(shù)大致分成3類（圖4）。具體包括：①使用“強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系”材料的技術(shù)；②使用“等離子體”的技術(shù)；③使用波長轉(zhuǎn)換材料的技術(shù)。這些技術(shù)都不局限于太陽能電池，還可以延伸到蓄電池、光LSI等新一代電子學(xué)和光學(xué)產(chǎn)品，是應(yīng)用范圍廣泛的技術(shù)。

圖4：利用不使用半導(dǎo)體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)“高效率、低成本” 第4代太陽能電池技術(shù)的三個(gè)方法已顯示出各自的效果。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料是用于開發(fā)全新的太陽能電池的材料。與之相比，采用等離子體和波長轉(zhuǎn)換技術(shù)有望使太陽能電池在原有技術(shù)的條件下提高轉(zhuǎn)換效率。

        ①強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料類似于冰受熱融化成水，是通過光、電場、壓力等微小的能量交換，使材料的狀態(tài)從絕緣體高速轉(zhuǎn)換成金屬或?qū)щ婓w的一類材料（圖5）。以材料舉例的話，這種材料大多是PCMO*等錳類氧化物、TaOx等含有過渡金屬的氧化物。但也包括TCNQ*等有機(jī)材料。

圖5：利用氧化物相變使光能轉(zhuǎn)化成電能 MEG在電子間相關(guān)大的條件下才會(huì)產(chǎn)生（a）。電子間相關(guān)強(qiáng)烈的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系氧化物會(huì)發(fā)生類似于MEG的MCG現(xiàn)象（b）。在該現(xiàn)象中，1個(gè)光子能夠激發(fā)出hv/0.3eV個(gè)的電子和空穴的等離子（hv為1個(gè)光子的能量）。如果能使電子與空穴分離，從電極中取出，那么就能實(shí)現(xiàn)把陽光的絕大多數(shù)能量轉(zhuǎn)變成電能的太陽能電池（c）。圖為《日經(jīng)電子》根據(jù)理化學(xué)研究所十倉研究團(tuán)隊(duì)的資料制作。

*PCMO＝由稀土類元素鐠（Pr）、鈣（Ca）、錳（Mn）和氧（O）組成的氧化物。結(jié)構(gòu)為Pr_0.5Ca_0.5MnO₃時(shí)是穩(wěn)定的絕緣體，但略微改變結(jié)構(gòu)，并略微增加了一點(diǎn)鍶（Sr）的Pr_0.55（Ca_0.8Sr_0.2）_0.45MnO₃很容易產(chǎn)生相變。理化學(xué)研究所十倉團(tuán)隊(duì)的ReRAM方案使用了PCMO。

*TCNQ（四氰基對(duì)苯二醌二甲烷）＝n型有機(jī)半導(dǎo)體材料之一?；瘜W(xué)式為（NC）₂CC₆H₄C（CN）₂。

        其實(shí)，高溫超導(dǎo)和即將投入實(shí)用的可變電阻式存儲(chǔ)器（ReRAM）使用的材料也是強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料的一種?？烧f是應(yīng)用于各種領(lǐng)域的可能性高，很大程度影響今后電子學(xué)發(fā)展方向的材料。在日本，理化學(xué)研究所的十倉好紀(jì)團(tuán)隊(duì)正以在各種領(lǐng)域應(yīng)用為目標(biāo)，進(jìn)行著強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料的研究（參照“電子技術(shù)因強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系而改”）。前面提到的川崎也是十倉團(tuán)隊(duì)的一員。 

        ②等離子體是利用金屬表面上光與電子的共振狀態(tài)的技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)的目的在于大幅提高光的利用效率。這項(xiàng)技術(shù)也不局限于太陽能電池，包括超高效率LED、有機(jī)EL、光LSI和分子間光通信在內(nèi)，在電與光的交界領(lǐng)域正在開展各種應(yīng)用研究（參照“進(jìn)入利用光實(shí)現(xiàn)電技術(shù)的時(shí)代”）。

        而③是使用把紫外線和紅外線轉(zhuǎn)換成可見光的波長轉(zhuǎn)換材料的方法。可說是現(xiàn)有螢光材料的進(jìn)化形態(tài)，很有可能對(duì)顯示器、照明、醫(yī)療等廣泛領(lǐng)域產(chǎn)生很大的波及效應(yīng)。

光使“電子晶體”融解

        下面詳細(xì)介紹一下這三項(xiàng)新一代技術(shù)和開發(fā)示例。首先，強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料沒有取決于半導(dǎo)體帶隙的轉(zhuǎn)換效率極限，能夠把陽光的大部分能量轉(zhuǎn)化成電能。

        具體來說，當(dāng)光子照射到強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料時(shí)，會(huì)發(fā)生“光誘導(dǎo)相變”現(xiàn)象，在之前是絕緣體的材料上，會(huì)有微小的區(qū)域轉(zhuǎn)變成金屬性質(zhì)（圖5）。與冰等固體融化成液體的差異在于發(fā)生變化的不是原子排列，而是電子束團(tuán)的動(dòng)態(tài)和能量狀態(tài)。也就是產(chǎn)生了“電子晶體在光的作用下融解為電子液體”（理研川崎）的現(xiàn)象。

        電子晶體融解區(qū)域與絕緣體區(qū)域的能差大約為0.3eV，具體數(shù)字因材料而異。融解區(qū)域處于電子和空穴的等離子狀態(tài)，而且會(huì)隨著光子能量的增加而擴(kuò)大。假設(shè)光子的能量為1.5eV，那么最多可以生成5組電子和空穴的等離子，如果是3eV的光子，則最多可以生成相當(dāng)于10組電子和空穴的等離子。強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系材料的研究人員稱之為“多載流子激發(fā)（MCG）”。

        MCG的原理與使用半導(dǎo)體的MEG型太陽能電池的發(fā)電原理相似（圖3（d））。川崎稱，實(shí)際上，“MEG與MCG都是發(fā)生在電子間關(guān)聯(lián)強(qiáng)烈的狀態(tài)下”。

        二者當(dāng)然也有差異。除了帶隙、相變等物理機(jī)制不同外，MEG會(huì)形成電子與空穴結(jié)合強(qiáng)的激子，MCG形成的則是結(jié)合弱的等離子。因此，在原理上來說，MCG似乎更容易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高的光電轉(zhuǎn)換。

        如果能夠?qū)崿F(xiàn)以MCG為基礎(chǔ)的太陽能電池，那么也有希望實(shí)現(xiàn)利用熱輻射發(fā)電的太陽能電池，甚至超越第3代的超高效率太陽能電池。因?yàn)樯傻入x子的閾值0.3eV的光線波長約為4.1μm，已達(dá)到基本無法使用半導(dǎo)體的中紅外區(qū)域^（注3）。也就是說，比半導(dǎo)體可利用更廣泛波長的陽光（圖5（c））。

（注3） 2010年6月，IMEC開發(fā)出了利用輻射熱發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換元件。使用的半導(dǎo)體帶隙約為0.67eV，能夠利用波長約為1.8μm以下的近紅外區(qū)域的光發(fā)電。（《日經(jīng)電子》記者：河合基伸、野澤哲生；硅谷支局：Phil Keys）