一项关于硅光伏电池的关键想法被一项专利排除了 20 年

太阳能已经是最便宜的发电形式，随着技术和全球生产的更多改进，其成本将继续下降。现在，新的研究正在探索太阳能电池制造的另一个重大转折点。在澳大利亚，超过 200 万个屋顶安装了太阳能电池板（世界上人均最多）。面板中使用的主要材料是硅。硅构成了将阳光转化为电能所需的单个太阳能电池组件的大部分。但是还需要一些其他元素。我们在新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院的研究表明，在电池的硅中添加镓可以产生非常稳定的太阳能电池板，这些电池板在其使用寿命期间更不容易降解。这是下一代太阳能电池板的长期目标：让它们在其生命周期内产生更多的电力，这意味着从长远来看，系统产生的电力会更便宜。随着越来越多地使用镓来实现这一目标，我们的研究结果提供了可靠的数据，可以让制造商做出最终会对全球产生影响的决策。太阳能电池通过使用来自阳光的能量“脱离”硅中的负电荷或电子，将阳光转化为电能。然后将电子作为电收集。然而，将光照射在一块普通的硅上并不会产生电，因为从光中释放的电子并不都朝同一方向流动。为了使电流朝一个方向流动，我们需要创造一个电场。

在硅太阳能电池中——目前为数百万澳大利亚家庭提供电力——这是通过向硅中添加不同的杂质原子来实现的，以创建一个比普通硅（n 型硅）具有更多负电荷的区域和一个具有更多负电荷的区域具有较少的负电荷（p 型硅）。当我们将硅的两部分放在一起时，我们就形成了所谓的“pn 结”。这允许太阳能电池运行。而在硅中加入杂质原子称为“掺杂”。形成硅 p 型部分最常用的原子是硼，负电荷比普通硅少。硼是一种很好的原子，因为它具有完成任务所需的确切电子数量。在太阳能电池所需的高纯度晶体的生产过程中，它也可以非常均匀地分布在硅中。但更残酷的是，将光线照射在硼填充的硅上会降低硅的质量。这通常被称为“光致退化”，在过去十年中一直是太阳能研究的热门话题。这种退化的原因比较好理解：我们在制作纯硅材料时，必须有目的地加入一些硼等杂质，以产生驱动电力的电场。然而，其他不需要的原子也因此被结合到硅中。其中一个原子是氧，它从坩埚中融入硅中——坩埚是提炼硅的大火锅。

当光线照射在同时含有硼和氧的硅上时，它们会结合在一起，从而产生一个缺陷，该缺陷可以捕获电力并减少太阳能电池板产生的电量。不幸的是，这意味着为太阳能电池板供电的阳光也会在它们的生命周期中损坏它们。一种叫做镓的元素看起来可以解决这个问题。硼并不是我们可以用来制造 p 型硅的唯一元素。快速阅读元素周期表可以看到一整列元素的负电荷比硅少一个。将这些原子中的一个添加到硅中会破坏正电荷和负电荷之间的平衡，这是产生电场所必需的。在这些原子中，最合适的是镓。镓是一种非常适合制造 p 型硅的元素。事实上，多项研究表明它不会与氧气结合而导致降解。所以，你可能想知道，为什么我们一直没有使用镓？嗯，过去 20 年来我们一直坚持使用硼而不是镓的原因是用镓掺杂硅的过程被锁定在专利之下。这阻止了制造商使用这种方法。但这些专利最终在 2020 年 5 月到期。此后，行业迅速从硼转向镓制造 p 型硅。

事实上，在 2021 年初，领先的光伏制造商韩华 Q Cells 估计，2021 年制造的所有太阳能电池板中约有 80% 使用了镓掺杂而不是硼——这是在如此短的时间内发生的巨大转变！我们研究了用掺镓硅制成的太阳能电池是否真的比用掺硼硅制成的太阳能电池更稳定。为了找到答案，我们使用“硅异质结”设计制造太阳能电池，这种方法导致迄今为止效率最高的硅太阳能电池。这项工作是与俄罗斯的 Hevel Solar 合作完成的。我们在 300,000 秒的光浸泡测试中测量了掺硼和掺镓太阳能电池的电压。由于硼与氧的结合，掺硼太阳能电池经历了显着的退化。同时，掺镓太阳能电池的电压要高得多。我们的结果还表明，使用镓制成的 p 型硅非常稳定，有助于为此类太阳能电池节省成本。考虑到制造商有可能大规模使用镓，生产更稳定且可能更便宜的太阳能电池，这是一个非常令人兴奋的前景。最好的部分是我们的发现可能会对行业产生直接影响。为我们的家庭提供更便宜的太阳能电力也意味着我们的星球更美好的未来。