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制作太阳能电池,需要使硅片温度超过1000°C。这个过程通常需要加热元件,会耗费大量能量。
一种新的光学炉已开发出来,在科罗拉多州(Colorado)戈尔登(Golden)国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory),研究人员加热太阳能硅片,是要聚集光线对准它们,这是一种更有效的工艺,大约只耗费传统炉子一半的能源。更重要的是,这种新设计也用光线来去除硅片的某些杂质,这一步骤可以提高成品电池的输出功率。
这个炉子采用灯泡而不是加热元件,来加工硅晶片。
这项研究处在早期阶段,到目前为止,研究人员只是提高了效率,所制成的太阳能电池,效率仅仅提高了半个百分点。但是,根据实验室测试,他们认为,他们可以使效率提高四个百分点,从大约16%的效率达到20%,这在太阳能行业是一件大事,这个行业甚至会庆祝半个百分点的增幅。
高温是需要的,在不止一个步骤中都需要,太阳能电池的制造就是这样。炉子用来把掺杂物融入硅,在这种材料内形成电场,创造电气接触,并氧化表面以提高效率。这种新炉子也可以更好地控制这些过程,提高太阳能电池的效率。
不是只有国家再生能源实验室的设计使用光加工硅。快速热处理炉用于微电子工业,也用光线加热半导体。但这种新炉子使用高反光耐热陶瓷,确保只有硅片吸光,炉内壁不吸光。“这会使它的效率提高很多倍,”布珊•索珀里(Bhushan Sopori)说,在国家再生能源实验室,他是负责这种炉子项目的研究员。
通过精确设计炉子内部形状,研究人员可以精确控制光线聚集位置,确保晶圆受热均匀。这仍不足以确保晶圆被均匀照射,边缘必须接收更多的光线,因为它们散热更快,超过晶圆其他部位。
这个过程减少了晶圆上的热应力,可以精确控制加热诱发的化学反应。精确控制加热速度和时间,也可以改善太阳能电池的电气触点,提高效率。这就可以确实引发氧化步骤。氧化通常只有少数制造商使用,用于高端太阳能电池,但是,这项新工艺会更便宜,从而会使更多制造商使用它。
索珀里说,国家再生能源实验室已开发出一些工艺,可以更好地利用光子效应,胜过快速热处理炉。因为光子与硅相互作用,可能会使有害杂质如铁等流出材料,同时保留一些有用成分,比如硼(boron),这是太阳能电池正常运行所需要的。
研究人员还没有使效率完整地提高四个百分点,部分是因为,这种新的处理步骤不能完全兼容传统制造业的其他步骤。索珀里说,他们正在努力改进其他步骤,以充分利用这种光炉。
国家再生能源实验室也联合先进光学系统公司(Advanced Optical Systems)开发一种机器,每次加工的晶圆不只一片,就和实验室版本一样,可以达到2000片。这样高的产量是必要的,因为这种炉子要与传统炉子竞争,传统炉子运行更便宜。
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