NREL 推全新三五族太陽能製程,砷化鎵製造速度加快 20 倍

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 05 日 15:00 | 分類 太陽能 , 能源科技 follow us in feedly


超過 50 年歷史的製造技術再進化後,科學家們得出超越過去、超級亮眼的成果。最近美國國家再生能源實驗室 (NREL)改良過去半導體材料磊晶製程,除了將砷化鎵製造速度提高 20 倍,也研製出轉換效率達 25% 的太陽能板,更有機會將三五族(III-V)太陽能成本降至每瓦 0.2 到 0.8 美元。

三五族化合物半導體是由元素週期表中三族的鋁、鎵、銦及五族的氮、磷、砷等元素所構成,由於優異的光電特性,常用於 LED、通訊與太陽能,像是磷化銦鎵、砷化鎵等便是太陽能領域的佼佼者,最高轉換效率已突破 43.5%,然而三五族太陽能成本高、製程難,我們只能在衛星、無人機等利基市場上看到它們的身影。

其中有機金屬氣相磊晶(MOVPE)是常見的太陽能電池製程,透過有機金屬氣體在基板上成長半導體薄膜。而 MOVPE 關鍵設備為反應室,首先晶片會在裡面被加熱到 1,000°C 以上,之後透過載體氣流將金屬有機物輸送進反應室,金屬有機物遇到高溫產生反應後沉積,形成晶體,過程快速且允許大量製作。

只不過參數不易控制,難以精準調整有機金屬氣體分子噴出來的量,因此磊晶過程相當耗時,生長速度大約每小時 15 微米。對此 NREL 決定換一種方法試試,他們改良 50 年歷史的氫化物氣相磊晶法(HVPE),該技術是用金屬催化的方式成長晶型,磊晶速度較快,NREL 科學家開發出設有兩個反應室的 HVPE 機台,用兩個反應室進行不同的化學沉積,並稱之為動態氫化物氣相磊晶法(D-HVPE)。

與 MOVPE 製程相比,D-HVPE 能以每小時 320 微米的速度生長砷化鎵半導體層,以及每小時 206 微米速度生長的磷化銦鎵,速度最快提高 20 倍,除此之外,也可以省下許多化學反應所需的昂貴前體材料。

目前團隊已經透過 D-HVPE 技術製造出轉換效率達 25% 的太陽能電池,預計能再將效率提高至 27%,並放眼超越 MOVPE 的 29%。NREL 科學家 Kevin Schulte 表示,為了達成目標,團隊還要持續改良。

NREL 戰略能源分析中心 Kelsey Horowitz 表示,隨著進一步最佳化技術和商業化量產,三五族太陽能電池的製造成本有望降至每瓦 0.2 到 0.8 美元。

該團隊希望能研發出製造速度大為提高,太陽能效率也相同,甚至超越過去的技術,過去 MOVPE 技術在 1970 年時取代 HVPE,未來說不定某天,新一代的 D-HVPE 能超越 MOVPE 製程。目前研究已發表在《Nature Communications》。

(首圖來源:NREL

延伸閱讀: