砷化鎵高倍聚光電池介紹

1、神化鎵太陽(yáng)能光伏電池發(fā)展現(xiàn)狀分析莊回貿(mào)作者：佚名 日期：2009年09月07日 來(lái)源：不詳函【字體：大中小】我要投稿近年來(lái)，基于硅材料的太陽(yáng)能電池價(jià)格起伏不定，光伏產(chǎn)業(yè)巨大的泡沫由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)而破裂，對(duì)產(chǎn)業(yè)的健 康發(fā)展產(chǎn)生了較大影響。聚光型太陽(yáng)電池可以減小對(duì)原料在量上的依賴程度，進(jìn)而對(duì)降低光伏系統(tǒng)建造成 本和產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展起到積極作用。較之薄膜電池和普通晶體硅電池，聚光型太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化率較高， 因此受到研究者的高度重視一、神化鐐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

2、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， 二是采用聚光太一、神化鐐電池基本介紹近年來(lái)，基于硅材料的太陽(yáng)能電池價(jià)格起伏不定，光伏產(chǎn)業(yè)巨大的泡沫由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)而破裂，對(duì)產(chǎn)業(yè) 的健康發(fā)展產(chǎn)生了較大影響。聚光型太陽(yáng)電池可以減小對(duì)原料在量上的依賴程度，進(jìn)而對(duì)降低光伏系統(tǒng)建 造成本和產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展起到積極作用。較之薄膜電池和普通晶體硅電池，聚光型太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化率 較高，因此受到研究者的高度重視1。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

3、倍，然后投射 到太陽(yáng)電池上。這時(shí)太陽(yáng)電池可能產(chǎn)生出相應(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神化鐐（GaAs）太陽(yáng)電池。二、神化鐐電池與硅光電池的比較31、光電轉(zhuǎn)化率：神化鐐的禁帶較硅為寬，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)的神化鐐電池理論效率達(dá)到27%，而多結(jié)的神化鐐電池理論效率更超過(guò)50%。2、耐溫性常規(guī)上，神化鐐電池的耐溫性要好于硅電池，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，神化鐐電池在250C的條件下仍可以 正常工作，但是硅電池在200C就已經(jīng)無(wú)法正常運(yùn)行。3、機(jī)械強(qiáng)度和比重神化鎵較硅質(zhì)在物理性質(zhì)上

4、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，但是也增加了技術(shù)的復(fù)雜度。三、神化鎵電池的技術(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，Loferski J. 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1.21.6 eV范圍內(nèi)的材料具有最高的轉(zhuǎn)換效率。（GaAs材料的Eg = 1.43 eV，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，

5、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（Hughes Research Lab）及Spectro lab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 率神化鎵太陽(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

6、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)需要采用磊晶技術(shù)，這種磊晶圓的直徑通常 為46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(jī)臺(tái)。目前，常用于GaAs 制備的技術(shù)有幾種，主要有LPE和MOVPE等。2.1 LPE技術(shù)介紹液相外延技術(shù)（Liquid Phase Epitaxy，簡(jiǎn)稱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

7、Ga、As （神）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)。2.2 MOVPE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

8、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600-800C，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)淚前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?，單結(jié)G

9、aAs/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9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 20mmx20mm x0.3mm單 結(jié)GaAs電池，取得較好的效果。2001年1月發(fā)射的“神舟3號(hào)”飛船和2002年5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、神化鎵電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀就世界的角度來(lái)說(shuō)，神化鎵電池主要還是應(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 世界專業(yè)制作神化鎵聚光電池的工廠有美國(guó)的Emcore，SpectroLab（波音的子公司）和

10、德國(guó)的Azur Space等， 中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化推廣還未成形。2007年8月開(kāi)始，由于聚光技術(shù)的采用，神化鎵電池從衛(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)能增加到目前的每年150兆瓦。在2008年，全球的神化鎵電池的生產(chǎn)取得突破性的發(fā)展。4月，作為神化鎵生產(chǎn)的全球主要廠家之 一 Spectro Lab，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5月，韓國(guó)電站就接到70兆瓦，2800萬(wàn)美元（500倍聚 光）的訂單。五、神化鎵電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的問(wèn)題神化鎵光伏電池有著較優(yōu)的轉(zhuǎn)化效率，有明

11、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， 目前在中國(guó)產(chǎn)業(yè)化方面并不理想，出現(xiàn)了一些問(wèn)題和阻礙。主要有以下幾個(gè)方面：一是制備費(fèi)用高居不下。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，神化鎵晶片的制備費(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（中國(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），短期內(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67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

12、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，總體上增加了制備費(fèi)用。二是神化鎵的另一個(gè)組分神有毒，對(duì)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，一般的企業(yè)也不愿往這 方面投產(chǎn)。第三，目前的神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(gòu)造隧道結(jié)和防止形成寄生的p/n結(jié)8，這增加了技術(shù)的難度。第四，由于神化鎵電池的高轉(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，對(duì)于降低成本有利，但是也存在需要追日跟蹤系統(tǒng)的 問(wèn)題，而且由于各地區(qū)的日照條件不一樣據(jù)了解，目前對(duì)追日跟蹤系統(tǒng)的要求也不一樣，也增加系統(tǒng)的復(fù) 雜度

13、和實(shí)施的難度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 上原料依賴進(jìn)口，90%以上產(chǎn)品依賴出口的一種模式，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)神化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)也是不利的。第六，對(duì)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)，對(duì)于神化鎵光伏電池，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，政策支持的不力使神化鎵產(chǎn)業(yè)化推進(jìn) 緩慢。以上這些原因的綜合出現(xiàn)，對(duì)神

14、化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了障礙。5、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，需要在原料鎵上做好功夫， 雖然鎵儲(chǔ)量全球不太多，但是中國(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，這就需 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，提高工廠生產(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、神化鎵電池、碲化銘電池等的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)做好分類對(duì)待，培植一些有競(jìng)爭(zhēng)力的神