一、砷化鎵電池基本介紹

近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在全球取得長(zhǎng)足發(fā)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(yīng)能力有限，加上國(guó)際炒家的炒作，導(dǎo)致國(guó)際市場(chǎng)上多晶硅價(jià)格一路攀升，最近一年來(lái)，由于受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，價(jià)格有所下跌，但這種震蕩的現(xiàn)狀給光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展帶來(lái)困難。目前，技術(shù)上解決這一困難的途徑有兩條：一是采用薄膜太陽(yáng)電池，二是采用聚光太陽(yáng)電池，減小對(duì)原料在量上的依賴(lài)程度。常用薄膜電池轉(zhuǎn)化率較低，因此新型的高倍聚光電池系統(tǒng)受到研究者的重視。聚光太陽(yáng)電池是用凸透鏡或拋物面鏡把太陽(yáng)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(yáng)電池上。這時(shí)太陽(yáng)電池可能出現(xiàn)出相應(yīng)倍數(shù)的電功率。它們具有轉(zhuǎn)化率高，電池占地面積小和耗材少的優(yōu)點(diǎn)。高倍聚光電池具有代表性的是砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)電池。

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

二、砷化鎵電池與硅光電池的比較

1、光電轉(zhuǎn)化率：

砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽(yáng)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(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)到27%，而多結(jié)的砷化鎵電池理論效率更超過(guò)50%。

2、耐溫性

常規(guī)上，砷化鎵電池的耐溫性要好于硅光電池，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jīng)無(wú)法正常運(yùn)行。

3、機(jī)械強(qiáng)度和比重

砷化鎵較硅質(zhì)在物理性質(zhì)上要更脆，這一點(diǎn)使得其加工時(shí)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(lái)對(duì)抗其在這一方面的不利，但是也新增了技術(shù)的復(fù)雜度。

三、砷化鎵電池的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、歷程

GaAs太陽(yáng)電池的發(fā)展是從上世紀(jì)50年代開(kāi)始的，至今已有已有50多年的歷史。1954年世界上首次發(fā)現(xiàn)GaAs材料具有光伏效應(yīng)。在1956年，LoferskiJ.J.和他的團(tuán)隊(duì)探討了制造太陽(yáng)電池的最佳材料的物性，他們指出Eg在1.2～1.6eV范圍內(nèi)的材料具有最高的轉(zhuǎn)換效率。（GaAs材料的Eg=1.43eV，在上述高效率范圍內(nèi)，理論上估算，GaAs單結(jié)太陽(yáng)電池的效率可達(dá)27%）。20世紀(jì)60年代，Gobat等研制了第1個(gè)摻鋅GaAs太陽(yáng)電池，不過(guò)轉(zhuǎn)化率不高，僅為9%～10%，遠(yuǎn)低于27%的理論值。20世紀(jì)70年代，IBM公司和前蘇聯(lián)Ioffe技術(shù)物理所等為代表的研究單位，采用LpE(液相外延)技術(shù)引入GaAlAs異質(zhì)窗口層，降低了GaAs表面的復(fù)合速率，使GaAs太陽(yáng)電池的效率達(dá)16%。不久，美國(guó)的HRL(HughesResearchLab)及Spectrolab通過(guò)改進(jìn)了LpE技術(shù)使得電池的平均效率達(dá)到18%，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，開(kāi)創(chuàng)了高效率砷化鎵太陽(yáng)電池的新時(shí)代[4]。從上世紀(jì)80年代后，GaAs太陽(yáng)電池技術(shù)經(jīng)歷了從LpE到MOCVD，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)的幾個(gè)發(fā)展階段，其發(fā)展速度日益加快，效率也不斷提高，目前實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá)到50%（來(lái)自IBM公司數(shù)據(jù)），產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率可達(dá)30%以上。

2、幾項(xiàng)基本技術(shù)介紹

GaAs生產(chǎn)方式有別于傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式，GaAs生產(chǎn)要采用磊晶技術(shù)，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，制備其磊晶圓要特殊的機(jī)臺(tái)。目前，常用于GaAs制備的技術(shù)有幾種，重要有LpE和MOVpE等。

2.1LpE技術(shù)介紹

液相外延技術(shù)(LiquidphaseEpitaxy，簡(jiǎn)稱(chēng)LpE)1963年由Nelson等人提出的，在GaAs的生產(chǎn)中，其以低熔點(diǎn)的Ga）鎵）為溶劑，以待生長(zhǎng)材料Ga、As（砷）和摻雜劑Zn（鋅）、Te（碲）、Sn（錫）等為溶質(zhì)，使溶質(zhì)在溶劑中呈飽和或過(guò)飽和狀態(tài)。通過(guò)降溫冷卻使石墨舟中的溶質(zhì)從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長(zhǎng)一層晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與單晶襯底（常為Ga）足夠相似的GaAs晶體材料，使晶體結(jié)構(gòu)得以延續(xù)，實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)。

2.2MOVpE技術(shù)介紹

金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（MOCVD）是由美國(guó)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(dǎo)體薄層單晶膜的新型汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)。在GaAs晶片的制備中，它采用Ga元素的有機(jī)化合物和As的氫化物等作為晶體生長(zhǎng)原料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行汽相外延，生長(zhǎng)GaAs化合物半導(dǎo)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(yīng)器中進(jìn)行的，襯底溫度為600-800℃，過(guò)程中需用射頻加熱石墨支架，讓H2氣通過(guò)溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。目前MOVpE方法制備GaAs薄膜電池受生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)溫度和As/Ga比、金屬有機(jī)物和AsH3的純度等諸多參數(shù)的影響。

3、國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況

在上世紀(jì)70年代中期至90年代中期，國(guó)內(nèi)一般采用LpE技術(shù)研制GaAs電池，單結(jié)GaAs/GaAs電池效可達(dá)20%。1995年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)開(kāi)始采用MOCVD技術(shù)研制GaAs電池?！笆濉背跗冢瑔谓Y(jié)GaAs/Ge電池進(jìn)入量產(chǎn)（用于航天），量產(chǎn)平均效率達(dá)到18.5%～19.0%(AM0)。我國(guó)首次GaAs電池試驗(yàn)是在1988年九月時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)發(fā)射的FY21A星上，在衛(wèi)星的太陽(yáng)方陣帆板上使用了20mm×20mm×0.3mm單結(jié)GaAs電池，取得較好的效果。2001年一月發(fā)射的“神舟3號(hào)”飛船和2002年五月發(fā)射的“海洋21”衛(wèi)星上，也應(yīng)用了單結(jié)GaAs/GaAs電池。

四、砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

就世界的角度來(lái)說(shuō)，砷化鎵電池重要還是應(yīng)用在宇宙空間探測(cè)利用等方面，在地面使用較少。目前全世界專(zhuān)業(yè)制作砷化鎵聚光電池的廠有美國(guó)的Emcore，SpectroLab(波音的子公司)和德國(guó)的AzurSpace等，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化推廣還未成形。

2007年八月開(kāi)始，由于聚光技術(shù)的采用，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶?yáng)能發(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。為此，Emcore公司花了1000萬(wàn)美元，將產(chǎn)量新增到目前的每年150兆瓦。

在2008年，全球的砷化鎵電池的生產(chǎn)取得突破性的發(fā)展，四月，作為砷化鎵生產(chǎn)的全球重要廠家之一SpectroLab，獲得350兆瓦，9300萬(wàn)美元（1000倍聚光）的電站訂單。

在東亞地區(qū)，也有初步的生產(chǎn)推廣，2008年五月，韓國(guó)電站就接到70兆瓦，2800萬(wàn)美元（500倍聚光）的訂單。

隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，光伏電池的生產(chǎn)在逐步推開(kāi)。

五、砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的問(wèn)題

砷化鎵光伏電池有著較優(yōu)的轉(zhuǎn)化效率，有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該成為一種有效的光伏發(fā)電途徑，但是，目前在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化方面并不理想，出現(xiàn)了一些問(wèn)題和阻礙。重要有以下幾個(gè)方面，一是制備費(fèi)用高居不下，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，砷化鎵晶片的制備費(fèi)用約為10000$/m2，比常規(guī)的硅晶電池相比高出不少，當(dāng)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(chǔ)量不多，大概在兩百萬(wàn)噸左右[7]（我國(guó)約占一半），而且開(kāi)采難度大（一般為鋁土礦的伴生礦），在當(dāng)今號(hào)召降低高耗能投資的要求下（電解鋁項(xiàng)目得到嚴(yán)格控制），短時(shí)間內(nèi)要擴(kuò)大粗鎵的生產(chǎn)比較難。另一方面，由于半導(dǎo)體材料對(duì)純度的要求很高，對(duì)半導(dǎo)體用鎵的要求達(dá)到6—7個(gè)9，目前世界上掌握這樣提純技術(shù)的國(guó)家僅有美國(guó)、德國(guó)和日本少數(shù)幾個(gè)，由于技術(shù)的壟斷，對(duì)擴(kuò)大再生產(chǎn)構(gòu)成限制，總體上新增了制備費(fèi)用。二是砷化鎵的另一個(gè)組分砷有毒，關(guān)于環(huán)境安全和生產(chǎn)工人自身身體安全都是一個(gè)不小的威脅，在沒(méi)有得到有力技術(shù)保證的前提下，一般的公司也不愿往這方面投產(chǎn)。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，要構(gòu)造隧道結(jié)和防止形成寄生的p/n結(jié)，這新增了技術(shù)的難度。第四，由于砷化鎵電池的高轉(zhuǎn)化率，常把其制成高聚光電池，當(dāng)然，這一方面可以縮小耗材，關(guān)于降低成本有利，但是也存在要追日跟蹤系統(tǒng)的問(wèn)題，而且由于各地區(qū)的日照條件不相同據(jù)了解，目前對(duì)追日跟蹤系統(tǒng)的要求也不相同，也新增系統(tǒng)的復(fù)雜度和執(zhí)行的難度[9]。第五，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)這幾年的注意力都集中在多晶硅市場(chǎng)，而且是進(jìn)行的是一種90%以上原料依賴(lài)進(jìn)口，90%以上產(chǎn)品依賴(lài)出口的一種模式，沒(méi)有把注意力集中到本土化光伏發(fā)電推廣，長(zhǎng)此以往，整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)會(huì)缺乏動(dòng)力需求，這對(duì)砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)也是不利的。第六，關(guān)于產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)，民眾認(rèn)可是很重要的，這些年來(lái)，關(guān)于砷化鎵光伏電池，民眾認(rèn)知度不夠，媒介和研究機(jī)構(gòu)的宣傳推廣工作有些不力。第七是國(guó)家政策，政府政策支持在光伏產(chǎn)業(yè)方面比較宏觀，目前還沒(méi)有做到對(duì)光伏電池行業(yè)進(jìn)行分類(lèi)別對(duì)待，支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在成本競(jìng)爭(zhēng)不具備優(yōu)勢(shì)的情況下，政策支持的不力使砷化鎵產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢。以上這些原因的綜合出現(xiàn)，對(duì)砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了障礙。

六、對(duì)策分析

針對(duì)目前出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者認(rèn)為可以從以下幾方面著手去努力解決。首先，要在原料鎵上做好功夫，雖然鎵儲(chǔ)量全球不太多，但是我國(guó)相對(duì)來(lái)說(shuō)是較豐富的，目前的問(wèn)題就是提純技術(shù)不過(guò)關(guān)的問(wèn)題，這就要我們廣大的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)合作攻關(guān)，做好鎵的高純提取。第二是要做好安全保障措施，提高廠生產(chǎn)的智能化、自動(dòng)化，減少生產(chǎn)直接接觸人員，保障安全化生產(chǎn)和人身安全，減小環(huán)境阻力。第三是加大技術(shù)攻關(guān)，簡(jiǎn)化制備工藝，減小電池系統(tǒng)復(fù)雜度，降低電池制備耗費(fèi)。第四，新聞媒介和相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)做好宣傳推薦工作，提高民眾認(rèn)知度。第五是國(guó)家政策支持明細(xì)化，比如對(duì)光伏發(fā)電電池產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，對(duì)晶硅電池、薄膜電池、砷化鎵電池、碲化鉻電池等的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)做好分類(lèi)對(duì)待，培植一些有競(jìng)爭(zhēng)力的砷化鎵電池生產(chǎn)公司，同時(shí)鼓勵(lì)各地新建光伏電站采用砷化鎵光伏電池。

七、展望

目前由于資金、技術(shù)和社會(huì)認(rèn)知等方面的不足，砷化鎵電池在我國(guó)并沒(méi)有走進(jìn)大眾生活，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。但是由于砷化鎵電池具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率，個(gè)人認(rèn)為，是一種比較有前途的光伏發(fā)電裝置，對(duì)促進(jìn)未來(lái)人類(lèi)新能源利用，創(chuàng)造潔凈生存環(huán)境是一個(gè)好的備選項(xiàng)，相信通過(guò)業(yè)界的共同努力，政府政策上的得力支持，民眾的開(kāi)放性心里對(duì)待，砷化鎵太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)業(yè)化會(huì)逐步發(fā)展，穩(wěn)步推進(jìn)，在明天的廣泛運(yùn)用不是夢(mèng)！