砷化镓太阳能光伏电池发展现状分析

ftgww123 · 发表于 2010-9-25 18:51:42

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　一、砷化镓电池基本介绍　　近年来，太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用光伏电池一般为多晶硅和单晶硅电池，然而由于原材料多晶硅的供应能力有限，加上国际炒家的炒作，导致国际市场上多晶硅价格一路攀升，最近一年来，由于受经济危机影响，价格有所下跌，但这种震荡的现状给光伏产业的健康发展带来困难。目前，技术上解决这一困难的途径有两条：一是采用薄膜太阳电池，二是采用聚光太阳电池，减小对原料在量上的依赖程度。常用薄膜电池转化率较低，因此新型的高倍聚光电池系统受到研究者的重视[1]。聚光太阳电池是用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦到几倍、几十倍，或几百倍甚至上千倍，然后投射到太阳电池上。这时太阳电池可能产生出相应倍数的电功率。它们具有转化率高，电池占地面积小和耗材少的优点。高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。
　　GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能[2]。
　　二、砷化镓电池与硅光电池的比较
　　1、光电转化率：
　　砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。
　　2、耐温性
　　常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。
　　3、机械强度和比重
　　砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge[锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。
　　三、砷化镓电池的技术发展现状
　　1、历程
　　GaAs太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的，至今已有已有50多年的历史。1954年世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应。在1956年，LoferskiJ.J.和他的团队探讨了制造太阳电池的最佳材料的物性，他们指出Eg在1.2～1.6eV范围内的材料具有最高的转换效率。（GaAs材料的Eg=1.43eV，在上述高效率范围内，理论上估算，GaAs单结太阳电池的效率可达27%）。20世纪60年代，Gobat等研制了第1个掺锌GaAs太阳电池，不过转化率不高，仅为9%～10%，远低于27%的理论值。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16%。不久，美国的HRL(HughesResearchLab)及Spectrolab通过改进了LPE技术使得电池的平均效率达到18%，并实现了批量生产，开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代[4]。从上世纪80年代后，GaAs太阳电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，目前实验室最高效率已达到50%（来自IBM公司数据），产业生产转化率可达30%以上。
　　2、几项基本技术介绍
　　GaAs生产方式有别于传统的硅晶圆生产方式，GaAs生产需要采用磊晶技术，这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多，因此，制备其磊晶圆需要特殊的机台。目前，常用于GaAs制备的技术有几种，主要有LPE和MOVPE等。
　　2.1LPE技术介绍
　　液相外延技术(LiquidPhaseEpitaxy，简称LPE)1963年由Nelson等人提出的，在GaAs的生产中，其以低熔点的Ga）镓）为溶剂，以待生长材料Ga、As（砷）和掺杂剂Zn（锌）、Te（碲）、Sn（锡）等为溶质，使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态。通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出，在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底（常为Ga）足够相似的GaAs晶体材料，使晶体结构得以延续，实现晶体的外延生长。
　　2.2MOVPE技术介绍
　　金属有机化学汽相淀积（MOCVD）是由美国洛克威尔公司的H.M.Manasevit等在1968年首先提出的一种制备化合物半导体薄层单晶膜的新型汽相外延生长技术。在GaAs晶片的制备中，它采用Ga元素的有机化合物和As的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行汽相外延，生长GaAs化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄膜层单晶材料。MOCVD是在常压或低压（≈10kPa）下于通H2的冷壁石英反应器中进行的，衬底温度为600-800℃，过程中需用射频加热石墨支架，让H2气通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。目前MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受生长速率、生长温度和As/Ga比、金属有机物和AsH3的纯度等诸多参数的影响[5]。
　　3、国内技术发展情况
　　在上世纪70年代中期至90年代中期，国内一般采用LPE技术研制GaAs电池，单结GaAs/GaAs电池效可达20%。1995年开始，国内开始采用MOCVD技术研制GaAs电池。“十五”初期，单结GaAs/Ge电池进入量产（用于航天），量产平均效率达到18.5%～19.0%(AM0)。我国首次GaAs电池试验是在1988年9月时进行的，当时发射的FY21A星上，在卫星的太阳方阵帆板上使用了20mm×20mm×0.3mm单结GaAs电池，取得较好的效果。2001年1月发射的“神舟3号”飞船和2002年5月发射的“海洋21”卫星上，也应用了单结GaAs/GaAs电池[6]。
四、砷化镓电池产业发展现状
　　就世界的角度来说，砷化镓电池主要还是应用在宇宙空间探测利用等方面，在地面使用较少。目前全世界专业制作砷化镓聚光电池的工厂有美国的Emcore，SpectroLab(波音的子公司)和德国的AzurSpace等，中国的产业化推广还未成形。
　　2007年8月开始，由于聚光技术的采用，砷化镓电池从卫星上的使用转变为聚光的太阳能发电站的规模应用。为此，Emcore公司花了1000万美元，将产能增加到目前的每年150兆瓦。
　　在2008年，全球的砷化镓电池的生产取得突破性的发展，4月，作为砷化镓生产的全球主要厂家之一SpectroLab，获得350兆瓦，9300万美元（1000倍聚光）的电站订单。
　　在东亚地区，也有初步的生产推广，2008年5月，韩国电站就接到70兆瓦，2800万美元（500倍聚光）的订单。
　　随着全球光伏产业的大发展，光伏电池的生产在逐步推开。
　　五、砷化镓电池产业发展遇到的问题
　　砷化镓光伏电池有着较优的转化效率，有明显的发展优势，应该成为一种有效的光伏发电途径，但是，目前在中国产业化方面并不理想，出现了一些问题和阻碍。主要有以下几个方面，一是制备费用高居不下，据文献报道，砷化镓晶片的制备费用约为10000$/m2，比常规的硅晶电池相比高出不少，当然，这是几方面的因素造成的，一方面，由于镓元素在全球的储量不多，大概在两百万吨左右[7]（中国约占一半），而且开采难度大（一般为铝土矿的伴生矿），在当今号召降低高耗能投资的要求下（电解铝项目得到严格控制），短期内要扩大粗镓的生产比较难。另一方面，由于半导体材料对纯度的要求很高，对半导体用镓的要求达到6—7个9，目前世界上掌握这样提纯技术的国家仅有美国、德国和日本少数几个，由于技术的垄断，对扩大再生产构成限制，总体上增加了制备费用。二是砷化镓的另一个组分砷有毒，对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁，在没有得到有力技术保证的前提下，一般的企业也不愿往这方面投产。第三，目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制（脆性），一般制成带衬底的薄膜电池，需要构造隧道结和防止形成寄生的p/n结[8]，这增加了技术的难度。第四，由于砷化镓电池的高转化率，常把其制成高聚光电池，当然，这一方面可以缩小耗材，对于降低成本有利，但是也存在需要追日跟踪系统的问题，而且由于各地区的日照条件不一样据了解，目前对追日跟踪系统的要求也不一样，也增加系统的复杂度和实施的难度[9]。第五，国内市场这几年的注意力都集中在多晶硅市场，而且是进行的是一种90%以上原料依赖进口，90%以上产品依赖出口的一种模式，没有把注意力集中到本土化光伏发电推广，长此以往，整个光伏产业会缺乏动力需求，这对砷化镓电池产业的发展来说也是不利的。第六，对于产业化来说，民众认可是很重要的，这些年来，对于砷化镓光伏电池，民众认知度不够，媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力。第七是国家政策，政府政策支持在光伏产业方面比较宏观，目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待，支持产业发展，在成本竞争不具备优势的情况下，政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢。以上这些原因的综合出现，对砷化镓电池产业的发展造成了障碍。
　　5、对策分析
　　针对目前出现的问题，笔者认为可以从以下几方面着手去努力解决。首先，需要在原料镓上做好功夫，虽然镓储量全球不太多，但是中国相对来说是较丰富的，目前的问题就是提纯技术不过关的问题，这就需要我们广大的相关科研机构合作攻关，做好镓的高纯提取。第二是要做好安全保障措施，提高工厂生产的智能化、自动化，减少生产直接接触人员，保障安全化生产和人身安全，减小环境阻力。第三是加大技术攻关，简化制备工艺，减小电池系统复杂度，降低电池制备耗费。第四，新闻媒介和相关学术机构做好宣传推荐工作，提高民众认知度。第五是国家政策支持明细化，比如对光伏发电电池产业来说，对晶硅电池、薄膜电池、砷化镓电池、碲化铬电池等的产业化生产做好分类对待，培植一些有竞争力的砷化镓电池生产企业，同时鼓励各地新建光伏电站采用砷化镓光伏电池。
　　六、展望
　　目前由于资金、技术和社会认知等方面的不足，砷化镓电池在中国并没有走进大众生活，实现产业化生产。但是由于砷化镓电池具有很高的能量转化效率，个人认为，是一种比较有前途的光伏发电装置，对促进未来人类新能源利用，创造洁净生存环境是一个好的备选项，相信通过业界的共同努力，政府政策上的得力支持，民众的开放性心里对待，砷化镓太阳能光伏电池产业化会逐步发展，稳步推进，在明天的广泛运用不是梦！

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