砷化镓电池基本介绍

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。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、耐性常规上，砷化镓电池的耐性要好于硅光电池，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，衬底度为 600-800℃ ，过程中需用射频加热石墨支架，让 H2 气通过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。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。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，府策上的得力支持，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！A 股主要上市公司目前全球的 CPV 装机不到 200MW ，预计今后几年内，随着技术优势和成本优势的体现，市场规模将有爆发式的增长，未来 10 年年均增速预计在 40%以上。我国目前仅有少量示范电站，未来随着光伏装机容量的提升， CPV 的市场也将逐渐打开。在目前，国内尚无成熟的 CPV 设备制造商，产品进口依赖度较高。在 A 股上市公司中未来有望从 CPV 市场的高速扩张中获益的主要上市公司有：1、乾照光电 (300102)：公司是目前国内四元系红、黄光 LED 芯片产销量最大的企业，国内最大的能够批量生产三结砷化镓太阳能电池外延片的企业。公司专注于高亮度四元系红、黄光 LED 外延片、芯片及三结砷化镓太阳电池外延片的研发生产，掌握了四元系红、黄光 LED 外延片、芯片生产的核心技术。产品不仅有高品质的超高亮度红、橙、黄 LED 外延片、芯片，同时还着力研发生产世界最尖端的高性能砷化镓太阳能电池，填补了该领域的国内空白，是国内仅有的几家初步具备 LED 外延片和芯片工业化生产能力的企业。 在三结砷化镓太阳能电池外延片的领域， 公司也拥有完全自主研发的 MOCVD 技术。2、向日葵 (300111)：公司是一家专注于光伏能源产品研发制造的国家级高新技术企业，主要致力于研发、生产、销售大规格高效晶体硅太阳能电池。公司熟练掌握了光伏电池片生产的全部关键技术，研发能力较强。公司的成长性明显， 2008 年公司获得了 “ 绍兴市成长型工业企业 20 强 ” 等荣誉。根据中国可再生能源学会光电专业委员会排名， 2008 年公司晶体硅电池产量已进入国内前 10 名，是国内光伏行业中成长性最明显的企业之一。公司 2005 年 3 月成立以来始终专注于高效晶体硅太阳能电池及组件的研发和生产， 近年来产销量和营业收入规模均呈现较高速增长， 2009 年电池及组件产量达到 106MW ，位居国内企业第九。 随着全球光伏市场的快速增长， 公司产能增长较快， 已分别于 2006 年 5 月、 2008 年 5 月、2009 年 6 月建成投产 25MW 生产线、 50MW 生产线、 100MW 生产线。公司已建成年产 175MW 的光伏电池生产线。3、东方日升 (300118)：公司是主要从事太阳能电池片、太阳能电池组件以及太阳能灯具等太阳能光伏产品的研发、生产和销售的高新技术企业，是我国重要的太阳能光伏应用产品专业供应商。发公司是国内较早从事太阳能应用产品开发的生产企业之一。募集资金拟投向年产 75MW 晶体硅光伏产品项目和光伏工程技术研发中心项目。东方日升的主营业务是从事太阳能电池片、 太阳能电池组件以及太阳能灯具等太阳能光伏产品的研发生产和销售，主要产品为太阳能电池片、太阳能电池组件和太阳能灯具。4、万家乐 (000533)：作为国内著名的家电企业，公司十分看好太阳能产业的发展，重拳打造太阳热水器产业。相比传统的热水器，太阳能热水器完全采用太阳的光热来烧水。其中，万家乐目前持股 25%的新曜光电是母公司下属专营 HCPV 太阳能发电模组和发电系统的开发、 设计和产业化为主的高科技公司。未来有望整体注入上市公司，实现万家乐从传统家电和电气设备生产到新能源和环保设备的转型。5、三安光电 (600703)：是国内规模最大的全色系超高亮度 LED 芯片生产企业， 产品正向需求旺盛的电视背光、路灯照明，汽车产品领域渗透。三安光电主营 LED 芯片生产，与 CPV 聚光太阳能技术方面相通，具有业务拓展的优势。 其 CPV 聚光太阳能系统采用双轴跟踪、 500 倍聚光方式， 模块系统转换效率约 25%～ 26%， 今年第一季度可完成青海省格尔木市 3MW 示范电站项目， 今年业绩目标为 20MW ～50MW 。6、光电股份 (600184)：公司还将收购西光集团、红塔创投等持有的天达光伏股权。天达光伏目前拥有 60MW的光伏产能， 未来天达光伏将在秀洲工业园区建设太阳能电池生产及研发基地， 还参与装机规模为100MWp 的昆明石林并网光伏实验示范电站项目。 新华光是全球重要的光学玻璃生产制造中心， 具有年产 6800 吨光学玻璃产品的生产能力。该公司产品国内市场占有率约为 30%，稳居国内同行业第二位，未来来有望从 CPV 市场规模的扩张中受益。7、水晶光电 (002273)：公司的传统产品为光学低通滤波器 (OLPF) 和红外截止滤光片 (IRCF) ，分别为高端和低端光学模组配套，下游主要为数码相机、拍照手机等消费电子产品。晶圆级镜头模组生产工艺的唯一配套商。公司通过配套手机镜头模组厂商的晶圆级加工技术，使模组厂商的成本降低了近，因而在 3G 手机的前置摄像头 (Sub Camera)市场中占据了绝对的优势。公司具备三代聚光太阳能 CPV 相关设备制造能力。8、利达光电 (002189)：公司的主营业务是透镜、棱镜等光学元件。第三代 CPV 发电方式正逐渐成为太阳能领域的焦点。与前两代电池相比， CPV 采用多结的 III-V 族化合物电池，具有大光谱吸收、高转换效率等优点；而且所需的电池面积不大，以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。而利达光电恰具有此类概念。公司具有光学聚光器的生产能力，未来有望从 CPV 和 CSP 市场的高速扩张中获益。