砷化鎵電池基本介紹

1、、砷化鎵電池基本介紹近年來，太陽能光伏發(fā)電在全球取得長足發(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(jīng)濟危機影響，價格有所下跌，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(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(chǎn)生出相應

2、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。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。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、耐性常規(guī)上，砷化鎵電池的耐性要好于硅光電池，有實驗數(shù)據(jù)表明，砷化鎵電池在250 C的條件下仍可以正常工作，但是

3、硅光電池在200 C就已經(jīng)無法正常運行。3、機械強度和比重砷化鎵較硅質(zhì)在物理性質(zhì)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(fā)展現(xiàn)狀1、歷程GaAs太陽電池的發(fā)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(fā)現(xiàn) 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1.21.6eV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

4、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(zhuǎn)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(lián)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(zhì)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(xiàn)了批量生產(chǎn)，開創(chuàng)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

5、電池技術經(jīng)歷了從 LPE到MOCVD，從同質(zhì)外延到異 質(zhì)外延，從單結到多結疊層結構的幾個發(fā)展階段，其發(fā)展速度日益加快，效率也不斷提高，目前實 驗室最高效率已達到 50%（來自IBM公司數(shù)據(jù)），產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率可達 30%以上。2、幾項基本技術介紹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，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

6、人提出的，在GaAs的生產(chǎn)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 （鋅八Te （碲八Sn （錫）等為溶質(zhì)，使溶質(zhì)在溶劑中呈飽和或過飽和狀態(tài)。通過降冷卻使石墨舟中的溶質(zhì)從溶劑中Ga）足夠相似的 GaAsH.M.Manasevit 等在 1968在GaAs晶片的制備中,析出，在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數(shù)與單晶襯底（常為 晶體材料，使晶體結構得以延續(xù)，實現(xiàn)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。它采用Ga元素的有機化合物和

7、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（沁10kPa下于通H2的冷壁石英反應器中進行的，襯底度為600-800C,過程中需用射頻加熱石墨支架，讓 H2氣通過度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區(qū)。目前MOVPE方法制備GaAs薄膜電池受生長速率、生長度和As/Ga比、金屬有機物和 AsH3的純度等諸多參數(shù)的影響 5。3、國內(nèi)技術發(fā)展情況在上世紀70年代中期至90年代中期，國內(nèi)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(nèi)

8、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(chǎn)（用于航天），量產(chǎn)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(fā)射的FY21A星上，在衛(wèi)星的太陽方陣帆板上使用了 20mr 20mrhC 0.3mm單結GaAs電池，取得較好的效果。2001年1月發(fā)射的 神舟3號”飛船和2002年5月發(fā)射的 海洋21”衛(wèi)星上，也應用了單結 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(yè)制作砷化鎵聚光電池的工廠有美國的E

9、mcore, SpectroLab （波音的子公司）和德國的AzurSpace等，中國的產(chǎn)業(yè)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(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶?陽能發(fā)電站的規(guī)模應用。為此，Emcore公司花了 1000萬美元，將產(chǎn)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(chǎn)取得突破性的發(fā)展，4月，作為砷化鎵生產(chǎn)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(qū)，也有初步的生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的大發(fā)

10、展，光伏電池的生產(chǎn)在逐步推開。五、砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到的問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，應該成為一種有效的光伏發(fā)電途徑，但是，目前在中國產(chǎn)業(yè)化方面并不理想， 出現(xiàn)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(jù)文獻報道，砷化鎵晶片的制備費用約為10000$/m2，比常規(guī)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(nèi)要擴大粗鎵的生產(chǎn)比較難。另一方面，由于半導體材料對純

11、度的要求很高， 對半導體用鎵的要求達到67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(shù)幾個，由于技術的壟斷，對擴大再生產(chǎn)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(huán)境安全和生產(chǎn)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(yè)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，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(zhuǎn)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(tǒng)的問題，而且由

12、于各地區(qū)的日照條件 不一樣據(jù)了解，目前對追日跟蹤系統(tǒng)的要求也不一樣，也增加系統(tǒng)的復雜度和實施的難度9。第五，國內(nèi)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(chǎn)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(fā)電推廣，長此以往，整個光伏產(chǎn)業(yè)會缺乏動力需求，這對砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說也是不利的。第六，對于產(chǎn)業(yè)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。第七是國家策，府策支持在光伏產(chǎn)業(yè)方面比較宏觀，目前還沒有做到對光伏電池行業(yè)進行分類別對待，支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在成本競爭不具備優(yōu)勢的情況

13、下，策支持的不力使砷化鎵產(chǎn)業(yè) 化推進緩慢。以上這些原因的綜合出現(xiàn)，對砷化鎵電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了障礙。對策分析針對目前出現(xiàn)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(chǎn)的智能化、自動化，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。第三是加大技術攻關，簡化制備工藝，減小電池系統(tǒng)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

14、是國家策支持明細化，比如對光伏發(fā)電電池產(chǎn)業(yè)來說，對晶硅電池、薄膜電池、砷化鎵電池、碲化鉻電池等的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)做好分類對待，培植一些有競爭力的砷化鎵電池生產(chǎn)企業(yè)，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(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，個人認為，是一種比較有前途的 光伏發(fā)電裝置，對促進未來人類新能源利用，創(chuàng)造潔凈生存環(huán)境是一個好的備選項，相信通過業(yè)界 的共同努力，府策上的得力支持，民眾的開放性心里對待，砷化鎵太陽能光伏電池產(chǎn)業(yè)化會逐步發(fā) 展，穩(wěn)步推進，在明天的廣泛運用不是夢！A股主要上市

15、公司目前全球的CPV裝機不到200MW，預計今后幾年內(nèi)，隨著技術優(yōu)勢和成本優(yōu)勢的體 現(xiàn)，市場規(guī)模將有爆發(fā)式的增長，未來10年年均增速預計在 40%以上。我國目前僅有少量示范電站，未來隨著光伏裝機容量的提升，CPV的市場也將逐漸打開。在目前，國內(nèi)尚無成熟的CPV設備制造商，產(chǎn)品進口依賴度較高。在A股上市公司中未來有望從 CPV市場的高速擴張中獲益的主要上市公司有：1、乾照光電（300102）:公司是目前國內(nèi)四元系紅、黃光LED芯片產(chǎn)銷量最大的企業(yè)，國內(nèi)最大的能夠批量生產(chǎn)三結砷化鎵太陽能電池外延片的企業(yè)。公司專注于高亮度四元系紅、黃光LED外延片、芯片及三結砷化鎵太陽電池外延片的研發(fā)生產(chǎn)，掌握了四

16、元系紅、黃光LED外延片、芯片生產(chǎn)的核心技術。產(chǎn)品不僅有高品質(zhì)的超高亮度紅、橙、黃LED外延片、芯片，同時還著力研發(fā)生產(chǎn)世界最尖端的高性能砷化鎵太陽能電池，填補了該領域的國內(nèi)空白，是國內(nèi)僅有的幾家初步具備LED外延片和芯片工業(yè)化生產(chǎn)能力的企業(yè)。在三結砷化鎵太陽能電池外延片的領域，公司也擁有完全自主研 發(fā)的MOCVD技術。2、向日葵(300111):公司是一家專注于光伏能源產(chǎn)品研發(fā)制造的國家級高新技術企業(yè)，主要致力于研發(fā)、 生產(chǎn)、銷售大規(guī)格高效晶體硅太陽能電池。公司熟練掌握了光伏電池片生產(chǎn)的全部關鍵技術，研發(fā) 能力較強。公司的成長性明顯，2008年公司獲得了 紹興市成長型工業(yè)企業(yè) 20強”等榮譽

17、。根據(jù)中國可再生能源學會光電專業(yè)委員會排名，2008年公司晶體硅電池產(chǎn)量已進入國內(nèi)前10名，是國內(nèi)光伏行業(yè)中成長性最明顯的企業(yè)之一。公司2005年3月成立以來始終專注于高效晶體硅太陽能電池及組件的研發(fā)和生產(chǎn)，近年來產(chǎn)銷量和營業(yè)收入規(guī)模均呈現(xiàn)較高速增長，2009年電池及組件產(chǎn)量達到 106MW，位居國內(nèi)企業(yè)第九。隨著全球光伏市場的快速增長， 公司產(chǎn)能增長較快， 已分別于2006年5月、2008年5月、 2009年6月建成投產(chǎn) 25MW 生產(chǎn)線、50MW 生產(chǎn)線、100MW 生產(chǎn)線。公司已建成年產(chǎn) 175MW 的 光伏電池生產(chǎn)線。3、東方日升(300118):公司是主要從事太陽能電池片、太陽能電池

18、組件以及太陽能燈具等太陽能光伏產(chǎn)品的 研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術企業(yè)，是我國重要的太陽能光伏應用產(chǎn)品專業(yè)供應商。發(fā)公司是國內(nèi) 較早從事太陽能應用產(chǎn)品開發(fā)的生產(chǎn)企業(yè)之一。募集資金擬投向年產(chǎn) 75MW晶體硅光伏產(chǎn)品項目和光伏工程技術研發(fā)中心項目。東方 日升的主營業(yè)務是從事太陽能電池片、 太陽能電池組件以及太陽能燈具等太陽能光伏產(chǎn)品的研發(fā)生 產(chǎn)和銷售，主要產(chǎn)品為太陽能電池片、太陽能電池組件和太陽能燈具。4、萬家樂(000533):作為國內(nèi)著名的家電企業(yè)，公司十分看好太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，重拳打造太陽熱水器產(chǎn)業(yè)。相比傳統(tǒng)的熱水器，太陽能熱水器完全采用太陽的光熱來燒水。其中，萬家樂目前持股25%的新曜光電是母公司下屬專營HCPV太陽能發(fā)電模組和發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)、設計和產(chǎn)業(yè)化為主的高科技公司。未來有望整體注入上市公司，實現(xiàn)萬家樂從傳統(tǒng)家電和電氣設備生產(chǎn)到新能源和環(huán)保設備的 轉(zhuǎn)型。5、三安光電(600703):是國內(nèi)規(guī)模最大的全色系超高亮度LED芯片生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品正向需求旺盛的電視背光、路燈照明，汽車產(chǎn)品領域滲透。三安光電主營LED芯片生產(chǎn)，與CPV聚光太陽能技術方面相通，具有業(yè)務拓展的優(yōu)勢。 其CPV聚光太陽能系統(tǒng)采用雙軸跟蹤、500倍聚光方式，模塊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約25%26%,今年第一季度可完成青海省格爾木市3MW示范電站項目，今年業(yè)績目標為20MW50MW