超越目前主流結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池極限的新一代技術(shù)的研發(fā)正取得進(jìn)展。利用名為“量子點(diǎn)”的納米技術(shù)，可發(fā)電效率獲得飛躍提升。如果開發(fā)成功，那么，僅憑太陽(yáng)能電池就能工作的電動(dòng)汽車及智能手機(jī)等或許會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

        夏普、京瓷及松下（原三洋電機(jī)）等日本機(jī)電廠商積累了30多年經(jīng)驗(yàn)的太陽(yáng)能電池技術(shù)，現(xiàn)在已完全過時(shí)。在將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能的比率、即“轉(zhuǎn)換效率”方面，如今各家廠商的產(chǎn)品都相差無幾。

        市場(chǎng)上最常見的太陽(yáng)能電池的原材料大多采用多晶硅及單晶硅。多晶硅類太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率約為15％，單結(jié)晶硅類產(chǎn)品約為20％，近年來性能幾乎沒有提高。雖然這種采用結(jié)晶硅的太陽(yáng)能電池在理論上可將轉(zhuǎn)換效率提高到大約30％，但如果是需要以較高成品率和較低成本進(jìn)行生產(chǎn)的量產(chǎn)產(chǎn)品，上述轉(zhuǎn)換效率便似乎已是極限了。

        在性能無法拉開差距的情況下，便宜的中國(guó)產(chǎn)品席卷了全球市場(chǎng)。在世界最大太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的歐洲，廠商賣給銷售商的批發(fā)價(jià)近一年來已下降到接近以往的一半，以4月3日申請(qǐng)破產(chǎn)的德國(guó)Q-Cells公司為代表，歐美相關(guān)廠商破產(chǎn)不斷。在日本，各相關(guān)廠商的收益也日益惡化。

        要想從無休止的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)中擺脫出來，能夠使轉(zhuǎn)換效率獲得飛躍提升的技術(shù)突破必不可少。各國(guó)的太陽(yáng)能電池廠商及研究機(jī)構(gòu)正在加快新一代技術(shù)的開發(fā)。

        夏普公司與東京大學(xué)納米量子信息電子學(xué)研究機(jī)構(gòu)主任荒川泰彥教授等人聯(lián)手研究的“量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池”，就是這種新一代技術(shù)之一。荒川教授透露：“通過理論計(jì)算，可將轉(zhuǎn)換效率提高到75％。日前，在試制設(shè)備上達(dá)到了19.4％。”



        量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池為什么蘊(yùn)含著大幅提高轉(zhuǎn)換效率的可能性呢？首先，筆者從普通太陽(yáng)能電池的基本原理開始介紹吧。

        我們可模式化地將太陽(yáng)能電池看做這樣一種結(jié)構(gòu)：太陽(yáng)能電池分為充滿了電子的“價(jià)帶”、以及電子可自由運(yùn)動(dòng)的“導(dǎo)帶”，當(dāng)價(jià)帶的電子移動(dòng)到導(dǎo)帶時(shí)，即可將電子作為電能輸出。

        電子要從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶，必須克服位于兩者之間的名為“帶隙”的能量差。這一過程所需的能量可以從太陽(yáng)光中吸收。

        電子穿越的帶隙越大，可獲得的電能也會(huì)增大。帶隙的大小，可以通過在太陽(yáng)能電池的材料上下工夫來進(jìn)行調(diào)整。不過，如果為了獲得更大的電能而使帶隙變得過大，那么能夠移動(dòng)到導(dǎo)帶的電子便會(huì)減少，轉(zhuǎn)換效率因而降低。

        電子能否穿越帶隙，取決于照射到價(jià)帶的光能是否夠大。

        從波長(zhǎng)較短的紫外線直至較長(zhǎng)的紅外線，太陽(yáng)光由多種波長(zhǎng)的光混合而成。而這些光的能量，波長(zhǎng)越短則能量越大，波長(zhǎng)越長(zhǎng)則能量越小。

        當(dāng)光能小于帶隙時(shí)，則不能將電子推送到導(dǎo)帶，也就無法產(chǎn)生電能。雖然我們也有為了獲取這些光能而將帶隙減小的想法，但那樣獲得的電能會(huì)變得很小。而且，大于帶隙的光能的剩余部分會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量，使得不能用于發(fā)電的損耗、即“熱能損失”增加。其結(jié)果，是轉(zhuǎn)換效率下降。

邊長(zhǎng)約為10納米的“量子點(diǎn)”。電子被封閉在其中

        如果帶隙過大，白白損失的光能會(huì)增加，如果過小，則熱能損失會(huì)增加。之所以說結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率極限大約為30％，就是在于這個(gè)原因。

        荒川教授等人研究的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，在帶隙之間設(shè)有名為“中間能帶”（Intermediate Band）的中繼點(diǎn)。顯然，在大大擴(kuò)寬了帶隙之后，吸收了比帶隙還小的光能的電子可以暫時(shí)移動(dòng)到中間能帶。在下一個(gè)瞬間再吸收其他的光能，然后“換乘”到導(dǎo)帶上去。

        而一次就獲得了足夠大光能的電子，可以一躍跳過帶隙。像這樣，希望把從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的光能悉數(shù)盡收，從而使轉(zhuǎn)換效率得到飛躍性提高，是量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的最初創(chuàng)想。

無需供電的電動(dòng)汽車及智能手機(jī)

        形成中間能帶的，是太陽(yáng)能電池中散布的微細(xì)“顆粒”、即“量子點(diǎn)”。量子點(diǎn)是指邊長(zhǎng)約為10納米（納米為十億分之一）的箱形半導(dǎo)體微粒子，是荒川教授等人于1982年提出的一種理論。電子被封閉在“箱子”中，由于量子效應(yīng)，比帶隙小的光能也不會(huì)被放過，而會(huì)被吸收。由此，便形成了電子移動(dòng)到中間能帶的狀態(tài)。

        通過調(diào)整量子點(diǎn)的大小及形狀，還可設(shè)置多個(gè)中間能帶。這樣一來，便可吸收更廣泛波長(zhǎng)的光能。荒川教授的計(jì)算結(jié)果顯示，如果設(shè)置4個(gè)中間能帶，轉(zhuǎn)換效率就能達(dá)到75％。

        為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，荒川教授打算與日本太陽(yáng)能電池廠商、材料廠商及制造裝置廠商等聯(lián)手設(shè)立“量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池研究開發(fā)機(jī)構(gòu)”，從2013年度開始正式進(jìn)行研究開發(fā)。研究期限為10年，力爭(zhēng)從日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、文部科學(xué)省以及民營(yíng)企業(yè)那里獲得總額為300億日元的預(yù)算。

        最終目標(biāo)是轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60％。然后，將繼續(xù)進(jìn)行研究，并描繪出在10年以內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的長(zhǎng)達(dá)20年的長(zhǎng)期路線圖。

        實(shí)現(xiàn)實(shí)用化過程中的最大難題，是適用于量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的材料的開發(fā)。目前，荒川等研究人員用砷化鎵及砷化銦反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。今后還將用氮化鎵等進(jìn)行嘗試。


        日本尖端技術(shù)研究團(tuán)體“超尖端電子技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)”專務(wù)理事稻垣謙三，將與荒川教授一起為量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的成立而奔走。稻垣專務(wù)理事表示，“如果在新組織起步后5年內(nèi)轉(zhuǎn)換效率還不能超過30％，那么實(shí)用化就很難實(shí)現(xiàn)了”，將實(shí)現(xiàn)超過結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池極限的轉(zhuǎn)換效率視為第一個(gè)難關(guān)。

        荒川教授認(rèn)為：“在轉(zhuǎn)換效率超過50％的階段，太陽(yáng)能電池的用途將一舉擴(kuò)大。”

        荒川教授充滿期待地表示：“例如，如果在智能手機(jī)及電動(dòng)汽車上安裝超高效率的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，那么僅靠光伏發(fā)電就能一直使用下去。另外，利用公寓的陽(yáng)臺(tái)等不能安裝大面積太陽(yáng)能電池的地方，也許就能供給足以滿足家庭耗電量的電力。太陽(yáng)能電池將產(chǎn)生新的價(jià)值，擺脫價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)也將成為可能。”

避免重蹈結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池的覆轍

        這種利用中間能帶的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池被稱為“中間能帶型太陽(yáng)能電池”。除此之外，“串聯(lián)式量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池”的開發(fā)也在進(jìn)行。這種方式是將大小各異的量子點(diǎn)層重疊起來，借此擴(kuò)大所吸收光的波長(zhǎng)范圍。日本東北大學(xué)及美國(guó)宇航局（NASA）等已開始著手進(jìn)行相關(guān)研究。

        以往，在結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池研究方面，日本及德國(guó)領(lǐng)先一步，夏普及Q-Cells等日德廠商占據(jù)了世界市場(chǎng)份額的前位。然而從2000年代中期開始，尚德太陽(yáng)能電力(SunTech Power)及晶澳太陽(yáng)能（JA Solar）等中國(guó)太陽(yáng)能電池廠商開始占據(jù)排名前列。

        日本及德國(guó)開發(fā)出的結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池材料及制造裝置在中國(guó)流通，使得中國(guó)企業(yè)短時(shí)間內(nèi)就在技術(shù)上趕了上來。

        為了使量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池不再重蹈結(jié)晶硅類太陽(yáng)能電池的覆轍，新成立的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池研究開發(fā)機(jī)構(gòu)將對(duì)開發(fā)出的技術(shù)通過專利加以保護(hù)，采取徹底的對(duì)公司外保密措施，將其限制在日本國(guó)內(nèi)。不僅如此，為了防止技術(shù)通過日本材料廠商及制造裝置廠商外流，在一定期間內(nèi)要求其不要將材料及裝置賣給海外廠商。荒川等研究人員希望利用日本研發(fā)的量子點(diǎn)技術(shù)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

        近年來，日本的機(jī)電產(chǎn)業(yè)面對(duì)新興市場(chǎng)國(guó)家廠商，一直處于在技術(shù)上取勝、在業(yè)務(wù)上失敗的局面。在量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，需要力爭(zhēng)恢復(fù)“在技術(shù)上取勝、在業(yè)務(wù)上也取勝”的“獲勝模式”。 （《日經(jīng)商務(wù)周刊》記者∶吉野次郎）