太陽(yáng)能已經(jīng)是最便宜的發(fā)電形式，而且隨著技術(shù)和全球生產(chǎn)方面出現(xiàn)更多的改進(jìn)，其成本將繼續(xù)下降。現(xiàn)在，新的研究正在探索可能成為太陽(yáng)能電池制造的另一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在澳大利亞，有超過200萬(wàn)個(gè)屋頂擁有太陽(yáng)能電池板（是世界上人均數(shù)量最多的屋頂）。電池板中使用的主要材料是硅，硅構(gòu)成了單個(gè)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能所需的大部分組件，但也需要一些其他元素。

新南威爾士大學(xué)光伏和可再生能源工程學(xué)院的小組的研究表明，在電池的硅中加入鎵可以導(dǎo)致非常穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池板，在其使用壽命中更不容易退化。

這是下一代太陽(yáng)能電池板的長(zhǎng)期目標(biāo)：讓它們?cè)谄渖芷趦?nèi)產(chǎn)生更多的電力，這意味著從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力將更便宜。

隨著鎵被越來越多地用于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的研究結(jié)果提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)，可以讓制造商做出最終將對(duì)全球產(chǎn)生影響的決定。

摻雜"太陽(yáng)能電池"的過程

太陽(yáng)能電池通過利用太陽(yáng)光的能量來"分解"硅中的負(fù)電荷或電子，將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。然后，這些電子被收集為電能。

然而，將光照在一塊普通的硅上并不能發(fā)電，因?yàn)閺墓庵嗅尫诺碾娮硬⒉欢际浅粋€(gè)方向流動(dòng)的。為了使電力朝一個(gè)方向流動(dòng)，我們需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)電場(chǎng)。

在目前的硅太陽(yáng)能電池中，是通過在硅中添加不同的雜質(zhì)原子來實(shí)現(xiàn)的，以創(chuàng)造一個(gè)比正常硅有更多負(fù)電荷的區(qū)域（n型硅）和一個(gè)有較少負(fù)電荷的區(qū)域（p型硅）。

當(dāng)我們把這兩部分硅放在一起時(shí)，我們形成了所謂的"p-n結(jié)"，這使太陽(yáng)能電池得以運(yùn)行，而向硅中添加雜質(zhì)原子的做法被稱為"摻雜"。

陽(yáng)光的一個(gè)不幸的副作用

形成硅的p型部分的最常用的原子是硼，其負(fù)電荷比普通硅少。

硼是一個(gè)很好的使用原子，因?yàn)樗羞@個(gè)任務(wù)所需的精確數(shù)量的電子。在生產(chǎn)太陽(yáng)能電池所需的高純度晶體時(shí)，它也可以非常均勻地分布在硅中。

但是，在一個(gè)殘酷的轉(zhuǎn)折中，將光照在充滿硼的硅上會(huì)使硅的質(zhì)量下降，這通常被稱為"光誘導(dǎo)的退化"，在過去十年中一直是太陽(yáng)能研究的一個(gè)熱門話題。

這種退化的原因相對(duì)來說很好理解：當(dāng)我們制造純硅材料時(shí)，我們必須有目的地添加一些雜質(zhì)，如硼，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電力的電場(chǎng)。然而，其他不需要的原子也因此而被納入硅中。

這些原子之一是氧，它從坩堝--提煉硅的大熱鍋--中被加入到硅中。

當(dāng)光照在同時(shí)含有硼和氧的硅上時(shí)，它們會(huì)結(jié)合在一起，造成一種缺陷，可以捕獲電力并減少太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電量。

不幸的是，這意味著為太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力的陽(yáng)光也會(huì)在其使用壽命內(nèi)損害它們。一種叫做鎵的元素看起來可能是這個(gè)問題的解決方案。

一個(gè)更聰明的方法

硼并不是我們可以用來制造p型硅的唯一元素。快速瀏覽一下元素周期表就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有一整列的元素比硅少一個(gè)負(fù)電荷。

將這些原子中的一個(gè)添加到硅中，就會(huì)破壞負(fù)電荷和正電荷之間的平衡，而這正是我們制造電場(chǎng)所需要的，在這些原子中，最適合的是鎵。

鎵是一種非常合適的元素，可以制造p型硅。事實(shí)上，多項(xiàng)研究表明，它不會(huì)與氧氣結(jié)合在一起而導(dǎo)致退化。因此，你可能想知道，為什么我們一直沒有使用鎵？

好吧，在過去20年中，我們一直堅(jiān)持使用硼而不是鎵的原因是，用鎵摻入硅的過程被鎖定在一項(xiàng)專利之下，這阻止了制造商使用這種方法。

但這些專利終于在2020年5月到期。自那時(shí)起，該行業(yè)已迅速?gòu)呐疝D(zhuǎn)向鎵來制造p型硅。

事實(shí)上，在2021年年初，領(lǐng)先的光伏制造商HanwhaQCells估計(jì)在2021年生產(chǎn)的所有太陽(yáng)能電池板中約有80%使用鎵摻雜而不是硼，這是在如此短的時(shí)間內(nèi)的巨大轉(zhuǎn)變。

鎵真的能提高太陽(yáng)能電池板的穩(wěn)定性嗎？

我們調(diào)查了用摻鎵的硅制造的太陽(yáng)能電池是否真的比用摻硼的硅制造的太陽(yáng)能電池更穩(wěn)定。

為了找出答案，我們使用"硅異質(zhì)結(jié)"設(shè)計(jì)制造了太陽(yáng)能電池，這是迄今為止導(dǎo)致最高效率硅太陽(yáng)能電池的方法。這項(xiàng)工作是與俄羅斯的HevelSolar公司合作完成的。

我們測(cè)量了摻硼和摻鎵太陽(yáng)能電池在30萬(wàn)秒的光浸泡測(cè)試中的電壓，摻硼太陽(yáng)能電池由于硼與氧的結(jié)合而發(fā)生了明顯的退化。

同時(shí)，摻鎵的太陽(yáng)能電池的電壓要高得多。我們的結(jié)果還表明，使用鎵制造的p型硅是非常穩(wěn)定的，可以幫助釋放這種類型太陽(yáng)能電池的儲(chǔ)蓄。

想到制造商有可能大規(guī)模地使用鎵，生產(chǎn)出更穩(wěn)定和可能更便宜的太陽(yáng)能電池，這是一個(gè)非常令人興奮的前景。

最重要的是，我們的發(fā)現(xiàn)可能對(duì)工業(yè)產(chǎn)生直接影響。而為我們的家庭提供更便宜的太陽(yáng)能電力，也意味著我們的地球有一個(gè)更光明的未來。