北極星太陽能光伏網訊:「通過鎵硼共摻，雖然可以解決縱向不均勻性，但依然有光衰減。如果用鎵磷共摻，通過磷補償，可以有效解決光衰減，電池的效率也會得到很好保持，有利於太陽能電池效率的提高和成本降低。」浙江大學矽材料國家重點實驗室楊德仁出席第十二屆中國（無錫）國際新能源大會暨展覽會並做發言。
專題直播：第十二屆中國（無錫）國際新能源大會暨展覽會
各位同仁、各位朋友，上午好，給大家報告的主要內容是關於摻鎵晶體相關的應用。
在過去十年中，太陽能光伏發展非常迅速。看兩個數據，2017年全世界光伏安裝達到2.7GW，2019年114GW，增加將近40倍，所有太陽能幾乎都是建立在矽材料上面。實際上在2019年，矽材料在太陽能電池材料中佔97.5%，所有矽是它最基礎的材料。太陽能矽材料選用P型矽，起初第一個太陽能電池選用N型，為什麼把N型變成P型？因P型做擴散磷時做PN節，它的溫度低，時間短，能耗低。N型當初是應用在空間的，發現空間有輻照，輻照以後燒制壽命會有影響，導致壽命降低，後來就全部改成P型，也就是摻硼，摻硼還有一個好處是它的分凝係數比較大，0.8，也就是說從頭部到尾部它的電阻率分布幾乎是均勻的，用起來很方便，晶體生產完成後，整根晶體可用來做太陽能電池，不浪費，這是它的一個優點。
它帶來光衰減問題，如何解決？
第一個方法，它形成沒有辦法避免，那就想辦法破壞。因此發明了兩種技術途徑，一個是在氫氣問題利用光注入去除，這是澳大利亞人做的事情。其次在氫氣下電注入載流質，這兩種路線都行，增加設備可以使得光衰減降低，但沒有根本地解決問題。
另一個方法，降低氧濃度，但用的是石英坩堝，氧又無法降低，怎麼辦？大家用了磁場，降低坩堝旋轉速度，這樣可以降低氧濃度。但用了以後磁場能耗上升，成本也有上升，且也不能解決問題。
還有一種方法，把硼換掉，換一個元素做半導體是不是就可以了呢？國際上，2012年有報導，左邊可以告訴大家摻硼的，一旦有光時間以後就從黑的太陽電池效率降低灰的。如果我們用摻鋁、摻鎵替代摻硼，它的所有電阻率都不會改變或者沒有光衰減的產生。除了硼摻其它的元素都可以，但實際的問題在哪裡呢？像鋁降低了壽命等等，那大家就想能不能摻鎵。
右邊兩張圖的曲線是電阻率1.5歐姆釐米和1.0歐姆，光一照壽命就降低，有光衰減。上面那個曲線可以看到的是摻鎵的10個歐姆釐米的，光照了以後不變，證明了光照衰減對摻鎵晶體是不存在的。
最早的一篇報導，1956年美國海軍實驗時期，當時研究的是矽中摻鎵研究它的紅外吸收，1990年，楊啟基教授也專門做了一篇研究，他是在區熔矽裡面摻鎵，是做探測器的，到2002年前後，日本做了一批的專利，說我們在矽晶裡面摻鎵，可以用在太陽能電池當中，實際上到了2003年，日本東京大學發了第一篇文章，在鑄造多晶矽當中說摻鎵可以沒有光衰減，所以摻鎵用在光衰減到了2008年，中國用過一波，當時的尚德太陽能用摻鎵做太陽能電池。有一段時間佔了產業相當多的比例，但是後來又放棄了。到目前又開始大規模的應用，因大家想光衰減難以克服，用摻鎵幾乎避免了光衰減，但是摻鎵最大的問題，實際上它的分離係數只有0.008，它太小了，會造成什麼現象？矽晶體的縱向電阻率從頭到尾相差比較大，或者說它尾部的1/3的晶體是不能直接利用的。
我們看這是一個圖，紅色的是摻硼的電阻率分布，而黑色的這根線從頭到尾晶體是摻鎵的，可以看到電阻率從頭到尾相差太大。帶來的問題就是坩堝料尾料鎵原子負極濃度高，重複利用困難。當然剛才講了，會導致晶體的尾部甚至1/3的地方重複利用比較困難。電池效率的抑制性又比較差，能不能在這個基礎上做一點工作？
首先發現硼鎵共摻。當時一個想法就是把硼濃度降低，再加一點鎵，電阻率可以調比較好，光衰減可能會低一點。但是我們可以看一看，它的電阻率依然不能完全解決，它只是比原來的好一點，但是依然比硼會差，還有硼氧複合體，還有光衰減出現。
這是國際上報導的，可以看到，底下黑色的那根線，普通的摻硼的，它的光衰減很明顯下降的。那條藍色的線是鎵硼共摻的，紅色的線是摻鎵的，可以看到鎵硼共摻的依然有光衰減的出現，只是幅度小了一點。我們做過很多的研究，研究發現，在硼鎵共摻的晶體當中，依然有硼氧複合體，而且種類和摻硼的一樣，幾乎是一致的。
還研究，證明它的快慢兩個衰減，一開始是快速衰減過程，第二個部分是慢速的衰減過程。可以看到，快衰減跟慢衰減都是正比於載流濃度的平方值。我們還用雷射對孔穴濃度注入，研究它的快慢影響，在雷射強度增加的情況下，慢衰減的濃度會正比於雷射強度，快衰減濃度基本上保持不變，它的性能跟普通硼氧複合體幾乎相近，但它的去除不一樣。我們給大家拋高的是硼氧複合體在如何去除時，正常硼氧複合體在黑暗30分鐘200°加熱就可以去除，但用硼+共摻的沒有辦法做到。
經過研究得出，大概是320°30分鐘可以使得壽命恢復原始值，也就是硼氧複合體在硼+共摻晶體當中比普通的摻硼晶體更難消除，需要更高的溫度。這是沒有解決最後的問題，我們想第二個方法，這是我們的專利，在2012年有的。這個上面是載流質的濃度，它本來參加的濃度在尾部翹的很厲害，能不能在尾部降下來？我們通過摻磷，通過磷的補償使得電阻率控制在歐姆釐米以上。
左邊的電阻率前50%是從3個歐姆釐米以下到1個歐姆釐米，到0.6左右突然上升，這是我們補償造成的，接著又逐漸下降。右邊圖紅色部分是測出來的載流質分布情況，它比普通摻鎵載流質降下來了，我們可以把整個電阻率調在1個歐姆以下。我們說鎵磷共摻的晶體可以使電阻率控制得比較好，滿足太陽能電池的要求。但共摻後會出現問題：首先研究它的遷移率，左邊是電子遷移率，這張圖大家一下看不清楚。總的講一句話，我們根據模型做了計算，一旦補償以後遷移率下降。對矽晶體質量實際上是有影響的。
擴散長度，紅色是加磷共摻的，藍色部分是普通摻鎵，比較後發現遷移率降低。在測試擴散程度，加磷的擴散程度也降低了，似乎是不好的。但我們在裡面發現了紅外出現了加磷複合體的增距，進一步研究能夠發現零補償當中紅色是加磷的。我們研究了磷的擴散係數，沿著表面到裡面的深度，摻鎵以後磷擴散降低，那麼也就是使間壁變淺了，PNG變淺後得到了太陽能電池的短波響應，有了明顯的改善。
由於時間關係最近的一些工作不給大家細講了，最後做一個簡單的總結：因為矽晶體可降低光衰減，但由於鉀的分離技術導致了尾部晶體電阻率降低的問題。我們提出，通過鎵硼共摻，雖然可以解決縱向不均勻性，但依然有光衰減。如果我們用鎵磷共摻，通過磷補償，可以有效解決光衰減，電池的效率也會得到很好保持，有利於太陽能電池效率的提高和成本降低。
（發言為北極星太陽能光伏網根據速記整理，未經本人審核）
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