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太阳能是最便宜的电力，灯泡时刻表明我们可以进一步降低成本
指南者留学 2022-08-02 17:42:34
阅读量：1404
昂贵的硅已被用于生产效率最高的太阳能电池板。现在有一种方法可以使用更便宜的原材料。
照片：Shutterstock
最近的极端天气事件凸显了减少二氧化碳排放的必要性，这种排放正在推高全球气温。这需要能源经济迅速过渡到可再生能源，最便宜的是太阳能光伏（PV）。我们新发表的研究指出了一种方法，我们可以使用更便宜的硅形式进一步降低转变的成本，以实现高效的太阳能电池板。
澳大利亚在太阳能光伏装置方面一直处于领先地位，但我们的太阳能之旅才刚刚开始。今年，人类达到了1太瓦（TW）的里程碑 - 100万×100万瓦 - 太阳能装机容量。然而，专家预测，到2050年，可能需要70TW的太阳能光伏发电来为经济的所有部门提供动力。
为了帮助推动太阳能光伏的快速普及，我们需要高效率和低成本的太阳能电池板。在过去的10年中，一些新的太阳能电池设计带来了创纪录的高效率。问题是这些设计还需要更高质量的材料，而这些材料的成本更高。
我们最近的研究表明，我们也许能够重新思考制造这些高效太阳能电池所需的硅类型。
并非所有硅都是平等的
超过95%的太阳能电池板是用硅制成的。用于制造太阳能电池的硅类似于计算机芯片中使用的硅。它实际上是非常纯净的沙子。
为了使太阳能电池工作，我们需要形成一个电场，以便产生的电流可以全部沿一个方向流动。这是通过将杂质原子添加到硅中来完成的，这一过程称为“掺杂”。
在商业面板制造中，最常用的硅类型是“p型”硅。这种材料掺杂着比硅少一个电子的原子，例如硼或最近的镓。
然后，我们可以在充满原子的表面上引入一个非常薄的层，其中相对于硅有一个额外的电子，这被称为“n型”硅。将这两种类型的硅放在一起形成所谓的“p-n结”。p型区域和n型区域之间电子数量的巨大差异迫使电子快速移动，从而产生驱动太阳能电池中电流的电场。
今天，澳大利亚屋顶上的传统太阳能电池板绝大多数是使用p型硅制成的，因为它比掺杂磷的替代“n型”硅便宜约10%。
更高的效率是有代价的
研究人员不断推动提高太阳能电池板的效率，以便它们能够为消费者产生更多的电力。2017年，硅太阳能电池实现了创纪录的26.7%的效率。上个月，隆基乐叶宣布，在制造环境而不是实验室中制造的相同类型的太阳能电池的效率为26.5%， 非常接近世界纪录。
这种类型的太阳能电池被称为“硅异质结”。硅异质结太阳能电池的特殊元素是表面覆盖着一层非常薄的无定形硅 - 比人类头发薄约1000倍。这种薄层使表面光滑，并减少了大量的能量损失。
三洋在20世纪90年代开发了这种电池设计。当时，高质量的n型硅片用于制造硅异质结电池，尽管这些晶圆更昂贵。
其主要原因是阳光会降解更便宜的p型晶圆。然而，自1990年代以来，我们对这种现象的理解以及如何对待它已经走过了漫长的道路。
我们的灯泡时刻
在过去的30年里，所有的硅异质结太阳能电池，包括破纪录的电池，都是用n型硅片制造的。在我们的研究项目中，我们想测试是否也可以使用更便宜的p型晶圆。
通过综合测试，我们发现用p型硅制成的异质结太阳能电池表现不佳。我们对此感到困惑。但有一天，我们有一个字面上的灯泡时刻。
我们意识到，在测试前，意外暴露在室内照明下短短10秒，p型电池的电压降低了30mV，这可以将其效率降低一个百分点（即从22%降低到21%）。这导致我们的细胞表现得比预期的要差得多。就像患有严重过敏症的人在春季对花粉更敏感一样，我们意识到这些用p型晶圆制成的高效硅异质结太阳能电池对光诱导降解更敏感。
澳大利亚人在安装太阳能电池板方面处于领先地位，但降低高效电池板的成本可能会推动向可再生能源的紧急过渡。
发现问题，我们现在有了解决方案
我们认为，这一观察结果就是高效电池以前只使用昂贵的硅进行探索的原因。过去的研究人员没有意识到p型晶圆对降解的敏感性，也没有知识来克服它。
幸运的是，我们现在知道硅晶片中硼和不需要的氧的键合会导致这种降解。高强度激光治疗已被证明可以在几秒钟内稳定细胞。
激光照明可以使已经漂浮在硅中的氢气更具移动性，可以四处移动并“钝化”不需要的硼氧缺陷。氢究竟是如何做到这一点的仍然是一个活跃的研究领域，但我们知道它解决了这个问题。我们的研究证实，短激光治疗可以稳定p型硅异质结太阳能电池的性能。
有了这些新知识，我们可以用更便宜的原材料进一步开发高效技术。这将降低每瓦特太阳能发电的成本。今年3月，太阳能电池板制造商隆基乐（LONGI Solar）宣布，使用p型硅片制造的硅异质结太阳能电池的效率为25.47%。
看到制造商制造可能更便宜的高效太阳能电池意味着我们的发现对行业产生了切实的影响。降低太阳能电池成本将为数百万消费者提供更便宜的电力，同时应对气候变化。
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