關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。
2007年，在印度班加羅爾郊外，一起爆炸事故將一名產業工人的頭顱炸飛，他的身體被拋過磚牆。2005年，臺灣一家制造工廠的例行程式引發了自發性爆炸，造成一名工人死亡，並引發了大火，吞噬了整個工廠，導致停產三個月。這兩起事件都有一個共同的原因——矽烷，一種由矽和氫組成的氣體，遇空氣會爆炸。而且這兩起事件都發生在同一個行業——太陽能產業。
除了其他環境汙點之外，用矽製造光伏（PV）電池的過程依賴於這種危險的自燃氣體。隨著該行業為滿足不斷增長的需求做好準備——根據歐洲光伏產業協會的資料，2009年全球新建了6.4吉瓦的新光伏裝置，其中大部分是矽太陽能電池——與太陽能相關的對人類健康和環境的擔憂是什麼？
當然，矽烷絕不是太陽能電池生產中唯一的環境危害。其他危害包括：多晶矽產生的有毒副產品在中國被隨意傾倒；燃煤發電廠排放的空氣汙染，這些發電廠為生產光伏產品提供所需的電力；以及從採礦泥漿中回收鎘，鎘是一種已知的人類致癌物，是某些薄膜太陽能電池的主要成分。然而，只有矽烷 (SiH4) 與太陽能產業造成的任何死亡事件直接相關。
“在[太陽能]產業使用的所有有毒或反應性分子中，矽烷在過去20年中造成了10起死亡事故。所有其他加起來，都是零，”退休化學工程師、特種氣體安全諮詢公司總裁兼矽烷專家尤金·吳 (Eugene Ngai) 說。“我擔心的是光伏產業……光伏產業可能位於輕工業區，也可能靠近居民區。”
然而，這種氣體是必不可少的——儘管存在危險，矽烷仍然是將矽分子輸送到表面的最佳方式，因為在高溫（高於 400 攝氏度）下，它會分解成矽和氫。“我們只是像氣體火炬一樣燒掉氫氣，”光伏製造商 Uni-Solar 的董事長蘇本杜·古哈 (Subhendu Guha) 說。
這也意味著它無處不在。除了光伏產業外，平板顯示器、半導體甚至鍍膜玻璃的製造商都使用矽烷，並且都在努力解決圍繞該化合物的安全問題。但如今，快速增長的太陽能電池製造業正在推動產量增加；過去五年中，全球各地開設了數百家新的光伏電池製造廠。“幾乎每一家矽光伏公司都以某種形式使用矽烷，”佐治亞理工學院光伏研究主任阿吉特·羅哈特吉 (Ajeet Rohatgi) 指出。“沒有它，你就無法獲得高效率……它是你無法擺脫的東西之一。”
這是因為這種氣體可用於製造矽光伏電池中的幾層——從電池頂部（用於沉積氮化矽層，以確保所有陽光都被吸收）到電池底部（用於沉積另一層，幫助反射回任何錯過的陽光光子，從而提高電池將光轉化為電力的效率）。“你找到了一個將光線反射回電池並讓光線二次透過的鏡子，”羅哈特吉說。“背面層對於獲得更薄的矽晶圓和更好的背面表面反射率至關重要，從而降低成本並提高效率。”
這個關鍵因素意味著拖掛卡車在美國高速公路上運輸矽烷罐，以及滿載氣體罐的貨船穿越太平洋到達亞洲的工廠，尤其是中國。這也意味著華盛頓州農村地區一個龐大的工業設施大量生產太陽能級矽，矽烷是其副產品——但一直因這種自燃氣體的問題而受到停產的困擾。全球每年生產數千噸 SiH4，隨著越來越多的微電子產品、平板和矽光伏產品的生產，這個數字未來將會膨脹。
然而，減少矽層厚度（這是解決光伏電池成本挑戰的一種方法）並不是解決矽烷問題的方案。恰恰相反，非晶矽太陽能電池依賴於相對較薄的矽層，在其工藝中使用了更多的矽烷，使用這種氣體沉積夏普和 Uni-Solar 等製造商所需的薄層半導體材料。
但還有另一種替代方案。總部位於魁北克的製造商SiXtron Advanced Materials開發了一種透過氣化聚合物顆粒來製造具有相似性質的更穩定氣體的方法。這個想法是將 SiXtron “Sunbox” 連線到現有的矽光伏生產線，透過通常從罐體輸送矽烷的相同管道來提供甲基矽烷氣體混合物。“甲基矽烷氣體不是自燃的，它們只是易燃氣體，”SiXtron 銷售和營銷執行副總裁貝茨·馬歇爾 (Bates Marshall) 說。“但洩漏並不意味著爆炸。”
該混合物穩定性的關鍵是用其他分子（如碳）取代典型矽烷中的一些氫，以使所得氣體不易爆炸。這種替代方案沉積的氮化矽碳可能更擅長幫助將光線反射回太陽能電池——並且 SiXtron 的無矽烷塗層已被證明可以減少太陽能電池首次暴露在陽光下時固有的效率損失。
佐治亞理工學院的羅哈特吉一直在測試 SiXtron 的機器與傳統的矽烷太陽能電池生產，發現它們生產的電池質量相似。“我們為 SiXtron 製造的電池與工業界製造的電池一樣好，”他說。“擁有一種在不影響效率的情況下為您提供氣體的技術真是太棒了。它正在消除產品中的風險。”
鑑於矽烷在各種條件下的行為仍然是個謎，即使對於科學專家來說也是如此，因此這種替代方案可能至關重要。“它釋放時的行為是不可預測的，”曾為 SiXtron 提供諮詢的吳承認。“因此，矽烷已捲入相當多的重大事故中。”
目前，這些問題已促使通用電氣等主要公司選擇競爭技術，投資於 PrimeStar 生產的碲化鎘薄膜太陽能電池。通用電氣全球研究中心太陽能技術總監、電氣工程師丹妮爾·梅爾費爾德 (Danielle Merfeld) 表示，非晶矽“因矽的可用性而具有吸引力，但您仍然需要高純度的矽烷”。用碲化鎘製造太陽能電池“是一個更加穩健和寬容的工藝和材料結構”。
無論如何，各種形式的矽構成了當前光伏產品組合的 80% 以上。儘管 SiXtron 公司已與太陽能製造裝置供應商 Roth & Rau 合作，但 SiXtron 的替代方案能否蓬勃發展仍有待觀察。過去的其他潛在替代方案，例如乙矽烷，由於製造成本過高而失敗。“如果行業認為它不會造成效能損失，並且如果有的話，它有可能提高效能，那麼我看不到行業不接受它的真正理由，”羅哈特吉說。“這需要時間。”