向太阳能电池中掺杂镓可以提高太阳能电池使用寿命

太阳能已经是最便宜的发电形式，而且随着技术和全球生产方面出现更多的改进，其成本将继续下降。现在，新的研究正在探索可能成为太阳能电池制造的另一个重大转折点。

在澳大利亚，有超过200万个屋顶拥有太阳能电池板（是世界上人均数量最多的屋顶）。电池板中使用的主要材料是硅，硅构成了单个太阳能电池将太阳光转化为电能所需的大部分组件，但也需要一些其他元素。

新南威尔士大学光伏和可再生能源工程学院的小组的研究表明，在电池的硅中加入镓可以导致非常稳定的太阳能电池板，在其使用寿命中更不容易退化。

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，该系统产生的电力将更便宜。

随着镓被越来越多地用于实现这一目标，我们的研究结果提供了强有力的数据，可以让制造商做出最终将对全球产生影响的决定。

掺杂"太阳能电池"的过程

太阳能电池通过利用太阳光的能量来"分解"硅中的负电荷或电子，将太阳光转化为电能。然后，这些电子被收集为电能。

然而，将光照在一块普通的硅上并不能发电，因为从光中释放的电子并不都是朝同一个方向流动的。为了使电力朝一个方向流动，我们需要创造一个电场。

在目前的硅太阳能电池中，是通过在硅中添加不同的杂质原子来实现的，以创造一个比正常硅有更多负电荷的区域（n型硅）和一个有较少负电荷的区域（p型硅）。

当我们把这两部分硅放在一起时，我们形成了所谓的"p-n结"，这使太阳能电池得以运行，而向硅中添加杂质原子的做法被称为"掺杂"。

阳光的一个不幸的副作用

形成硅的p型部分的最常用的原子是硼，其负电荷比普通硅少。

硼是一个很好的使用原子，因为它有这个任务所需的精确数量的电子。在生产太阳能电池所需的高纯度晶体时，它也可以非常均匀地分布在硅中。

但是，在一个残酷的转折中，将光照在充满硼的硅上会使硅的质量下降，这通常被称为"光诱导的退化"，在过去十年中一直是太阳能研究的一个热门话题。

这种退化的原因相对来说很好理解：当我们制造纯硅材料时，我们必须有目的地添加一些杂质，如硼，以产生驱动电力的电场。然而，其他不需要的原子也因此而被纳入硅中。

这些原子之一是氧，它从坩埚--提炼硅的大热锅--中被加入到硅中。

当光照在同时含有硼和氧的硅上时，它们会结合在一起，造成一种缺陷，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提供动力的阳光也会在其使用寿命内损害它们。一种叫做镓的元素看起来可能是这个问题的解决方案。

一个更聪明的方法

硼并不是我们可以用来制造p型硅的唯一元素。快速浏览一下元素周期表就会发现，有一整列的元素比硅少一个负电荷。

将这些原子中的一个添加到硅中，就会破坏负电荷和正电荷之间的平衡，而这正是我们制造电场所需要的，在这些原子中，最适合的是镓。

镓是一种非常合适的元素，可以制造p型硅。事实上，多项研究表明，它不会与氧气结合在一起而导致退化。因此，你可能想知道，为什么我们一直没有使用镓？

好吧，在过去20年中，我们一直坚持使用硼而不是镓的原因是，用镓掺入硅的过程被锁定在一项专利之下，这阻止了制造商使用这种方法。

但这些专利终于在2020年5月到期。自那时起，该行业已迅速从硼转向镓来制造p型硅。

事实上，在2021年年初，领先的光伏制造商HanwhaQCells估计在2021年生产的所有太阳能电池板中约有80%使用镓掺杂而不是硼，这是在如此短的时间内的巨大转变。

镓真的能提高太阳能电池板的稳定性吗？

我们调查了用掺镓的硅制造的太阳能电池是否真的比用掺硼的硅制造的太阳能电池更稳定。

为了找出答案，我们使用"硅异质结"设计制造了太阳能电池，这是迄今为止导致最高效率硅太阳能电池的方法。这项工作是与俄罗斯的HevelSolar公司合作完成的。

我们测量了掺硼和掺镓太阳能电池在30万秒的光浸泡测试中的电压，掺硼太阳能电池由于硼与氧的结合而发生了明显的退化。

同时，掺镓的太阳能电池的电压要高得多。我们的结果还表明，使用镓制造的p型硅是非常稳定的，可以帮助释放这种类型太阳能电池的储蓄。

想到制造商有可能大规模地使用镓，生产出更稳定和可能更便宜的太阳能电池，这是一个非常令人兴奋的前景。

最重要的是，我们的发现可能对工业产生直接影响。而为我们的家庭提供更便宜的太阳能电力，也意味着我们的地球有一个更光明的未来。