砷化鎵太陽能光伏電池發展現狀分析

時間:2010-03-22 21:09 中華新能源網 點擊:次 我要評論（）

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一、砷化鎵電池基本介紹

    近年來，太陽能光伏發電在全球取得長足發展。常用光伏電池一般為多晶硅和單晶硅電池，然而由于原材料多晶硅的供應能力有限，加上國際炒家的炒作，導致國際市場上多晶硅價格一路攀升，最近一年來，由于受經濟危機影響，價格有所下跌，但這種震蕩的現狀給光伏產業的健康發展帶來困難。目前，技術上解決這一困難的途徑有兩條：一是采用薄膜太陽電池，二是采用聚光太陽電池，減小對原料在量上的依賴程度。常用薄膜電池轉化率較低，因此新型的高倍聚光電池系統受到研究者的重視[1]。聚光太陽電池是用凸透鏡或拋物面鏡把太陽光聚焦到幾倍、幾十倍，或幾百倍甚至上千倍，然后投射到太陽電池上。這時太陽電池可能產生出相應倍數的電功率。它們具有轉化率高，電池占地面積小和耗材少的優點。高倍聚光電池具有代表性的是砷化鎵（GaAs）太陽電池。

    GaAs屬于III-V族化合物半導體材料，其能隙與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高溫。與硅太陽電池相比，GaAs太陽電池具有較好的性能[2]。

    二、砷化鎵電池與硅光電池的比較[3]

    1、光電轉化率：

    砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應性和空間太陽光譜匹配能力較硅好。目前，硅電池的理論效率大概為23%，而單結的砷化鎵電池理論效率達到27%，而多結的砷化鎵電池理論效率更超過50%。

    2、耐溫性

    常規上，砷化鎵電池的耐溫性要好于硅光電池，有實驗數據表明，砷化鎵電池在250℃的條件下仍可以正常工作，但是硅光電池在200℃就已經無法正常運行。

    3、機械強度和比重

    砷化鎵較硅質在物理性質上要更脆，這一點使得其加工時比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用襯底（常為Ge[鍺]），來對抗其在這一方面的不利，但是也增加了技術的復雜度。

    三、砷化鎵電池的技術發展現狀

    1、歷程

    GaAs太陽電池的發展是從上世紀50年代開始的，至今已有已有50多年的歷史。1954年世界上首次發現GaAs材料具有光伏效應。在1956年，LoferskiJ.J.和他的團隊探討了制造太陽電池的最佳材料的物性，他們指出Eg在1.2～1.6eV范圍內的材料具有最高的轉換效率。（GaAs材料的Eg=1.43eV，在上述高效率范圍內，理論上估算，GaAs單結太陽電池的效率可達27%）。20世紀60年代，Gobat等研制了第1個摻鋅GaAs太陽電池，不過轉化率不高，僅為9%～10%，遠低于27%的理論值。20世紀70年代，IBM公司和前蘇聯Ioffe技術物理所等為代表的研究單位，采用LPE(液相外延)技術引入GaAlAs異質窗口層，降低了GaAs表面的復合速率，使GaAs太陽電池的效率達16%。不久，美國的HRL(HughesResearchLab)及Spectrolab通過改進了LPE技術使得電池的平均效率達到18%，并實現了批量生產，開創了高效率砷化鎵太陽電池的新時代[4]。從上世紀80年代后，GaAs太陽電池技術經歷了從LPE到MOCVD，從同質外延到異質外延，從單結到多結疊層結構的幾個發展階段，其發展速度日益加快，效率也不斷提高，目前實驗室最高效率已達到50%（來自IBM公司數據），產業生產轉化率可達30%以上。

    2、幾項基本技術介紹

    GaAs生產方式有別于傳統的硅晶圓生產方式，GaAs生產需要采用磊晶技術，這種磊晶圓的直徑通常為4—6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多，因此，制備其磊晶圓需要特殊的機臺。目前，常用于GaAs制備的技術有幾種，主要有LPE和MOVPE等。

    2.1LPE技術介紹

    液相外延技術(LiquidPhaseEpitaxy，簡稱LPE)1963年由Nelson等人提出的，在GaAs的生產中，其以低熔點的Ga）鎵）為溶劑，以待生長材料Ga、As（砷）和摻雜劑Zn（鋅）、Te（碲）、Sn（錫）等為溶質，使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態。通過降溫冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數與單晶襯底（常為Ga）足夠相似的GaAs晶體材料，使晶體結構得以延續，實現晶體的外延生長。

    2.2MOVPE技術介紹

    金屬有機化學汽相淀積（MOCVD）是由美國洛克威爾公司的H.M.Manasevit等在1968年首先提出的一種制備化合物半導體薄層單晶膜的新型汽相外延生長技術。在GaAs晶片的制備中，它采用Ga元素的有機化合物和As的氫化物等作為晶體生長原料，以熱分解反應方式在襯底上進行汽相外延，生長GaAs化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄膜層單晶材料。MOCVD是在常壓或低壓（≈10kPa）下于通H2的冷壁石英反應器中進行的，襯底溫度為600-800℃，過程中需用射頻加熱石墨支架，讓H2氣通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區。目前MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受生長速率、生長溫度和As/Ga比、金屬有機物和AsH3的純度等諸多參數的影響[5]。

    3、國內技術發展情況

    在上世紀70年代中期至90年代中期，國內一般采用LPE技術研制GaAs電池，單結GaAs/GaAs電池效可達20%。1995年開始，國內開始采用MOCVD技術研制GaAs電池。“十五”初期，單結GaAs/Ge電池進入量產（用于航天），量產平均效率達到18.5%～19.0%(AM0)。我國首次GaAs電池試驗是在1988年9月時進行的，當時發射的FY21A星上，在衛星的太陽方陣帆板上使用了20mm×20mm×0.3mm單結GaAs電池，取得較好的效果。2001年1月發射的“神舟3號”飛船和2002年5月發射的“海洋21”衛星上，也應用了單結GaAs/GaAs電池[6]。

    四、砷化鎵電池產業發展現狀

    就世界的角度來說，砷化鎵電池主要還是應用在宇宙空間探測利用等方面，在地面使用較少。目前全世界專業制作砷化鎵聚光電池的工廠有美國的Emcore，SpectroLab(波音的子公司)和德國的AzurSpace等，中國的產業化推廣還未成形。

    2007年8月開始，由于聚光技術的采用，砷化鎵電池從衛星上的使用轉變為聚光的太陽能發電站的規模應用。為此，Emcore公司花了1000萬美元，將產能增加到目前的每年150兆瓦。

    在2008年，全球的砷化鎵電池的生產取得突破性的發展，4月，作為砷化鎵生產的全球主要廠家之一SpectroLab，獲得350兆瓦，9300萬美元（1000倍聚光）的電站訂單。

    在東亞地區，也有初步的生產推廣，2008年5月，韓國電站就接到70兆瓦，2800萬美元（500倍聚光）的訂單。

    隨著全球光伏產業的大發展，光伏電池的生產在逐步推開。

    五、砷化鎵電池產業發展遇到的問題

    砷化鎵光伏電池有著較優的轉化效率，有明顯的發展優勢，應該成為一種有效的光伏發電途徑，但是，目前在中國產業化方面并不理想，出現了一些問題和阻礙。主要有以下幾個方面，一是制備費用高居不下，據文獻報道，砷化鎵晶片的制備費用約為10000$/m2，比常規的硅晶電池相比高出不少，當然，這是幾方面的因素造成的，一方面，由于鎵元素在全球的儲量不多，大概在兩百萬噸左右[7]（中國約占一半），而且開采難度大（一般為鋁土礦的伴生礦），在當今號召降低高耗能投資的要求下（電解鋁項目得到嚴格控制），短期內要擴大粗鎵的生產比較難。另一方面，由于半導體材料對純度的要求很高，對半導體用鎵的要求達到6—7個9，目前世界上掌握這樣提純技術的國家僅有美國、德國和日本少數幾個，由于技術的壟斷，對擴大再生產構成限制，總體上增加了制備費用。二是砷化鎵的另一個組分砷有毒，對于環境安全和生產工人自身身體安全都是一個不小的威脅，在沒有得到有力技術保證的前提下，一般的企業也不愿往這方面投產。第三，目前的砷化鎵電池由于自身物理因素的限制（脆性），一般制成帶襯底的薄膜電池，需要構造隧道結和防止形成寄生的p/n結[8]，這增加了技術的難度。第四，由于砷化鎵電池的高轉化率，常把其制成高聚光電池，當然，這一方面可以縮小耗材，對于降低成本有利，但是也存在需要追日跟蹤系統的問題，而且由于各地區的日照條件不一樣據了解，目前對追日跟蹤系統的要求也不一樣，也增加系統的復雜度和實施的難度[9]。第五，國內市場這幾年的注意力都集中在多晶硅市場，而且是進行的是一種90%以上原料依賴進口，90%以上產品依賴出口的一種模式，沒有把注意力集中到本土化光伏發電推廣，長此以往，整個光伏產業會缺乏動力需求，這對砷化鎵電池產業的發展來說也是不利的。第六，對于產業化來說，民眾認可是很重要的，這些年來，對于砷化鎵光伏電池，民眾認知度不夠，媒介和研究機構的宣傳推廣工作有些不力。第七是國家政策，政府政策支持在光伏產業方面比較宏觀，目前還沒有做到對光伏電池行業進行分類別對待，支持產業發展，在成本競爭不具備優勢的情況下，政策支持的不力使砷化鎵產業化推進緩慢。以上這些原因的綜合出現，對砷化鎵電池產業的發展造成了障礙。

    5、對策分析

    針對目前出現的問題，筆者認為可以從以下幾方面著手去努力解決。首先，需要在原料鎵上做好功夫，雖然鎵儲量全球不太多，但是中國相對來說是較豐富的，目前的問題就是提純技術不過關的問題，這就需要我們廣大的相關科研機構合作攻關，做好鎵的高純提取。第二是要做好安全保障措施，提高工廠生產的智能化、自動化，減少生產直接接觸人員，保障安全化生產和人身安全，減小環境阻力。第三是加大技術攻關，簡化制備工藝，減小電池系統復雜度，降低電池制備耗費。第四，新聞媒介和相關學術機構做好宣傳推薦工作，提高民眾認知度。第五是國家政策支持明細化，比如對光伏發電電池產業來說，對晶硅電池、薄膜電池、砷化鎵電池、碲化鉻電池等的產業化生產做好分類對待，培植一些有競爭力的砷化鎵電池生產企業，同時鼓勵各地新建光伏電站采用砷化鎵光伏電池。

    六、展望

    目前由于資金、技術和社會認知等方面的不足，砷化鎵電池在中國并沒有走進大眾生活，實現產業化生產。但是由于砷化鎵電池具有很高的能量轉化效率，個人認為，是一種比較有前途的光伏發電裝置，對促進未來人類新能源利用，創造潔凈生存環境是一個好的備選項，相信通過業界的共同努力，政府政策上的得力支持，民眾的開放性心里對待，砷化鎵太陽能光伏電池產業化會逐步發展，穩步推進，在明天的廣泛運用不是夢！李雷

                                                                                                                                             （責任編輯：未予）

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