新發(fā)現(xiàn)！半導(dǎo)體薄膜使太陽(yáng)能更便宜

　　光伏產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)利基市場(chǎng)備受政府、社會(huì)和個(gè)人的關(guān)注，市場(chǎng)需求也在逐年遞增，進(jìn)而產(chǎn)業(yè)技術(shù)也在不斷推進(jìn)發(fā)展。本月，nanotechweb參加了在英國(guó)理光競(jìng)技場(chǎng)考文垂舉辦的科學(xué)與工業(yè)薄膜和涂層技術(shù)活動(dòng)。

　　英國(guó)IQE公司的Andrew Johnson和英國(guó)Leicester的De Montfort大學(xué)的Shashi Paul都提出了針對(duì)的是不同行業(yè)的可以應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域（PV）的制造技術(shù)。

　　作為一個(gè)利基市場(chǎng)，超過(guò)每美元電力優(yōu)先每克功率，基于空間的光伏領(lǐng)域，到現(xiàn)在為止已經(jīng)承受基于III-V族半導(dǎo)體多結(jié)電池的很高成本，因?yàn)樗鼈兛梢赃_(dá)到30%或更高的效率并且更耐輻射。這項(xiàng)技術(shù)需要將多種半導(dǎo)體材料排列成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這就是為什么它們通常比其他形式的光伏更貴的原因。

　　需求飆升

　　然而，像OneWeb這樣的公司承諾的大規(guī)模擴(kuò)張的通信網(wǎng)絡(luò)，需要大批量的制造技術(shù)，僅OneWeb就計(jì)劃以每周高達(dá)15個(gè)的速度生產(chǎn)數(shù)百個(gè)航天器。此外，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)（UAV）使用量的巨大增長(zhǎng)意味著衛(wèi)星制造商不再是輕量級(jí)，高效率太陽(yáng)能電池板的唯一客戶。

　　但是，雖然大型剛性太陽(yáng)能電池板可以容納在太空真空環(huán)境中，但對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池必須重量輕，并能夠集成到空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)身中。因此，添加到需求清單是一個(gè)重要的附加屬性：靈活性。因此，鼓勵(lì)光伏電池生產(chǎn)商想出可以適應(yīng)多種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)降低成本。

　　約翰遜認(rèn)為，滿足市場(chǎng)需求擴(kuò)大的關(guān)鍵是外延剝離（ELO）技術(shù)，該技術(shù)允許III-V族半導(dǎo)體疊層在制造之后從其生長(zhǎng)襯底剝離。這樣就減少了電池的總體質(zhì)量，并形成了更容易滿足無(wú)人機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身的柔性結(jié)構(gòu)。同時(shí)，廢棄的基板可以在另一個(gè)生長(zhǎng)周期中再次使用，進(jìn)一步降低了制造成本。

　　盡管ELO與傳統(tǒng)的硅處理技術(shù)相比仍然相對(duì)昂貴，但Johnson引用了一個(gè)可以保持低成本的變體。所提出的方法涉及到通過(guò)電化學(xué)蝕刻在單晶硅晶片中形成多孔頂層。退火材料會(huì)在多孔和原始硅之間的界面處產(chǎn)生平面空隙，從而允許頂層部分脫離。在剝離之前，可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）在頂部生長(zhǎng)另一薄層單晶硅，產(chǎn)生柔性的2-3微米的單晶膜，其可以用作其他半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)基底。

　　由Shashi Paul提出的一種新型等離子體增強(qiáng)CVD在太陽(yáng)能電池制造中也有應(yīng)用。Paul的技術(shù)被稱(chēng)為Ra方法，可以制造各種形狀的硅納米線。由于該工藝的溫度低于400°C（對(duì)于某些納米線形態(tài)，甚至低于150°C），所以與其他技術(shù)相比，能耗更低，并且可以使用廉價(jià)的玻璃或柔性塑料基材。持續(xù)的專(zhuān)利申請(qǐng)意味著該過(guò)程的全部細(xì)節(jié)不能被公開(kāi)，但是保羅直接地說(shuō)明利用不到氣-液-固（VLS）增長(zhǎng)機(jī)制。

　　通過(guò)該技術(shù)制造的硅納米線在寬范圍的波長(zhǎng)和入射角下表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收性能，并且Paul報(bào)道接下來(lái)的金屬化層可以容易地施加。太陽(yáng)能電池的效率很大程度上取決于所使用的材料的純度和晶體結(jié)構(gòu)，這是Ra方法可以容易實(shí)現(xiàn)的。此外，在生長(zhǎng)過(guò)程中使用的催化劑的選擇允許將各種摻雜劑引入到納米線中，從而可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生效率高達(dá)6%的薄膜PV電池并且具有超過(guò)15%的潛力的組合物。

　　Paul指出，雖然電池電極性能對(duì)硅的質(zhì)量和純度的敏感性要比太陽(yáng)能電池的性能低得多，但是在循環(huán)過(guò)程中離子遷移所引起的應(yīng)力會(huì)帶來(lái)不同的挑戰(zhàn)。硅的高電荷容量使其成為下一代鋰離子電池的有前景的陽(yáng)極材料，但前提是能夠使這些應(yīng)力更具彈性。

　　事實(shí)證明，保羅的技術(shù)所生產(chǎn)的納米線可以彎曲，使得它們可以在不失敗的情況下適應(yīng)離子，這意味著容量可以維持?jǐn)?shù)百個(gè)循環(huán)。盡管之前已經(jīng)證明了硅納米線的這種性質(zhì)，但是現(xiàn)有的制造技術(shù)在更高的溫度下發(fā)生，所以不能擁有與保羅的Ra方法相同的所有優(yōu)點(diǎn)。