太陽能已經(jīng)是最便宜的發(fā)電形式，而且隨著技術和全球生產(chǎn)方面出現(xiàn)更多的改進，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能電池制造的另一個重大轉(zhuǎn)折點。

在澳大利亞，有超過200萬個屋頂擁有太陽能電池板（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，硅構成了單個太陽能電池將太陽光轉(zhuǎn)化為電能所需的大部分組件，但也需要一些其他元素。

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

這是下一代太陽能電池板的長期目標：讓它們在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生更多的電力，這意味著從長遠來看，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現(xiàn)這一目標，我們的研究結(jié)果提供了強有力的數(shù)據(jù)，可以讓制造商做出最終將對全球產(chǎn)生影響的決定。

摻雜"太陽能電池"的過程

太陽能電池通過利用太陽光的能量來"分解"硅中的負電荷或電子，將太陽光轉(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，因為從光中釋放的電子并不都是朝同一個方向流動的。為了使電力朝一個方向流動，我們需要創(chuàng)造一個電場。

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

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

陽光的一個不幸的副作用

形成硅的p型部分的最常用的原子是硼，其負電荷比普通硅少。

硼是一個很好的使用原子，因為它有這個任務所需的精確數(shù)量的電子。在生產(chǎn)太陽能電池所需的高純度晶體時，它也可以非常均勻地分布在硅中。

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

這種退化的原因相對來說很好理解：當我們制造純硅材料時，我們必須有目的地添加一些雜質(zhì)，如硼，以產(chǎn)生驅(qū)動電力的電場。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。

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

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

一個更聰明的方法

硼并不是我們可以用來制造p型硅的唯一元素?？焖贋g覽一下元素周期表就會發(fā)現(xiàn)，有一整列的元素比硅少一個負電荷。

將這些原子中的一個添加到硅中，就會破壞負電荷和正電荷之間的平衡，而這正是我們制造電場所需要的，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。事實上，多項研究表明，它不會與氧氣結(jié)合在一起而導致退化。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。自那時起，該行業(yè)已迅速從硼轉(zhuǎn)向鎵來制造p型硅。

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

鎵真的能提高太陽能電池板的穩(wěn)定性嗎？

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

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

我們測量了摻硼和摻鎵太陽能電池在30萬秒的光浸泡測試中的電壓，摻硼太陽能電池由于硼與氧的結(jié)合而發(fā)生了明顯的退化。

同時，摻鎵的太陽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能電池的儲蓄。

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能電池，這是一個非常令人興奮的前景。

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