砷化镓太阳能电池.pdf

砷化镓太阳能电池砷化镓简介一种重要的半导体材料。由于其电子迁移率比硅大 5～ 6 倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、 低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。砷化镓是半导体材料中 ,兼具多方面优点的材料 ,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小， 导热性差， 不适宜制作大功率器件。 虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。据专家介绍， 砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据， 因而被广泛应用于遥控、 手机、DVD 计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高 6 倍，砷化镓成为超高速、 超高频器件和集成电路的必需品。 砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单晶片的 20 至 30 倍。 尽管价格不菲， 目前国际上砷化镓半导体的年销售额仍在 10 亿美元以上。２０世纪８０年代初， 技术专家认为砷化镓将在制造半导体中最终取代硅。 这是因为电子在砷化镓中运动的速度比在硅中运动的速度快５至１０倍。但砷化镓比较难于制造和加工，在它上面组装晶体管不能像在硅片上那样密集，价格也高。以上来自百度百科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。与硅太阳电池相比， GaAs 太阳电池具有较好的性能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％。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。单结，多结砷化镓电池的区别砷化镓太阳能电池包括单结砷化镓太阳能电池和多结砷化镓太阳能电池， 单结砷化镓太阳能电池的平均光电转换效率约为 20 ，目前多结砷化镓太阳能电池以三结为主，国际上光电转化效率最高的空间用三结砷化镓太阳能电池产品的实验室光电转化效率约为 32 ，地面用三结砷化镓聚光电池的实验室光电转化效率为 40.7 ，三结砷化镓太阳能电池已凭借高光电转换效率、 高抗辐射能力等优势取代了单结砷化镓太阳能电池， 代表了砷化镓太阳能电池的发展方向。单结砷化镓太阳能电池与三结砷化镓太阳能电池虽然原材料基本相同， 但单结砷化镓太阳能电池只有一个 P-N 结，一般只需要生长 6-7 层外延；三结砷化镓太阳能电池有三个 P-N 结，一般需要生长近 30 层外延，外延结构复杂程度成倍增加。外延结构的设计、每一层外延生长质量都直接影响整个砷化镓太阳能电池的性能。单结砷化镓太阳能电池与三结砷化镓太阳能电池的差异还主要体现在产品性能指标上一般情况下，单结砷化镓太阳能电池的电压为 1 伏特，而三结砷化镓太阳能电池的电压可达到 2.6 伏特；单结砷化镓太阳能电池的光电转化效率约为 20 ，而三结砷化镓太阳能电池的光电转化效率可达到 28-29 。国内太阳能电池行业发展现状2007-2008 年，我国连续两年成为全球太阳能电池产量最大的国家；截至 2008 年底，我国光伏发电累计装机总量已超过 20 万千瓦、太阳能光伏产业规模已突破 1,000 亿元，但我国的太阳能电站发电装机容量占全球比例不足 1。在产品结构上，目前国内用于发电的太阳能电池中仍以晶体硅太阳能电池为主，市场份额达 90 ；非晶硅薄膜太阳能电池发展迅速，市场份额占到 6-7 ；砷化镓等化合物太阳能电池和纳米太阳能电池等处于产业化初期阶段，目前市场份额较小，但未来发展空间较大。入砷化镓太阳能电池领域的主要壁垒进入砷化镓太阳能电池领域的主要壁垒有技术壁垒、资本壁垒和客户资源壁垒。1、技术壁垒砷化镓太阳能电池制造技术是集物理设计、工艺实施、设备、测试于一体的综合技术，特别是三结砷化镓太阳能电池外延片需要生长数十层外延材料。 电池生产过程的工艺实施需要解决多个关键技术难题，每一项技术的应用都对电池性能具有决定意义；对 MOCVD 外延炉及其他产品测试设备的掌握， 同样影响着产品的生产效率与质量。 每一个参数、 每一项技术都是技术实力的积累与体现， 没有足够的技术积累、 没有足够的研发能力， 是无法进入砷化镓太阳能电池领域的。2、资本壁垒太阳能电池行业产业链包括电池原材料制造、 电池外延片生长、 太阳能电池芯片、 太阳能电池组件和太阳能光伏系统等多个阶段， 每个阶段又有诸多工序， 各道工序都需要专业甚至特制的设备、工具，建设完整的生产线投资巨大，外延生长所需的 AIXTRON2800 型号的 MOCVD 外延炉单台售价即超过人民币 1,500 万元，进入行业的资本壁垒明显。3、客户资源壁垒随着太阳能电池技术进步，电池寿命不断延长，先进入市场意味着将拥有更多的客户资源，替代成本较高也使得企业客户具有相当强的稳定性。空间用砷化镓太阳能电池因其用途特殊， 客户高度集中， 客户对太阳能电池制造企业都执行严格的资格认证与审核， 同时由于保密的原因以及各国普遍对砷化镓太阳能电池实施禁运，取代特定客户现有的供应商难度极大，客户资源壁垒明显。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 67 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。 第七是国家策， 府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，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。砷化镓太阳能电池利润水平的影响因素与变化趋势目前， 砷化镓太阳能电池由于技术难度大、进入壁垒高， 再加上用途特殊， 需要严格确保产品性能， 因此竞争较少， 保持了较高的利润水平； 影响利润水平的变化主要因素有市场需求与竞争状况、 原材料价格变动情况、 技术创新与进步的速度等， 预计未来利润水平在一定时间内将保持稳定。 随着技术进步的加快、 原材料价格的下降， 砷化镓太阳能电池的价格也将不断下降， 从而将带动其应用范围的不断扩大， 民用产品大规模采用砷化镓太阳能电池的时间也将大大缩短，因此未来砷化镓太阳能电池行业的整体利润规模有可能快速上升。三结砷化镓太阳能电池外延片生产工艺流程三结砷化镓太阳能电池外延生长采用金属有机物化学气相淀积（ MOCVD ）技术一次形成。以 P 型单晶锗为基底，以三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝、磷烷和砷烷为材料，采用P 型二茂镁、 N 型硅烷作为掺杂源来生产，其过程与 LED 外延片基本一致。