砷化镓电池基本介绍.doc

砷化镓电池根本介绍 - 教育文库 一、砷化镓电池根本介绍 近年来，太阳能光伏发电在全球获得长足开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给才能有限，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安康开展带来困难目前，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合适，且能耐高温与硅太阳电池相比，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拟[3] 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才能较硅好目前，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到达27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

2、 耐温性 常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据说明，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、砷化镓电池的技术开展现状 1、历程 GaAs 太阳电池的开展是从上世纪50年代开场的，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，Loferski J. J.和他的团队讨论了制造太阳电池的最正确材料的物性，他们指出Eg 在1.2～1.6 eV 范围内的材料具有最高的转换效率〔GaAs 材料的Eg = 1.43 eV ，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 外表的复合速率，使GaAs 太阳电池的效率达16%。

不久，美国的HRL(Hughes Research Lab)及Spectro lab 通过改良了LPE 技术使得电池的平均效率到达18%，并实现了批量消费，创始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，从单结到多结叠层构造的几个开展阶段，其开展速度日益加快，效率也不断进步，目前实验室最高效率已到达50%〔来自IBM公司数据〕，产业消费转化率可达30%以上 2、几项根本技术介绍 GaAs消费方式有别于传统的硅晶圆消费方式，GaAs消费需要采用磊晶技术，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 2.1 LPE技术介绍 液相外延技术(Liquid Phase Epitaxy ，简称LPE)1963 年由Nelson 等人提出的，在GaAs的消费中，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。

通过降温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构造和晶格常数与单晶衬底〔常为Ga〕足够相似的GaAs晶体材料，使晶体构造得以延续，实现晶体的外延生长 2.2 MOVPE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，以热分解反响方式在衬底上进展汽相外延，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的冷壁石英反响器中进展的，衬底温度为600-800℃，过程中需用射频加热石墨支架，让H2气通过温度可控的液体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、生长温度和As/Ga比、金属有机物和AsH3的纯度等诸多参数的影响[5] 3、国内技术开展情况 在上世纪70 年代中期至90 年代中期，国内一般采用L PE技术研制GaAs 电池，单结GaAs/ GaAs 电池效可达20 %。

1995年开场，国内开场采用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〕，量产平均效率到达18. 5 %～19. 0 %(AM0) 我国首次GaAs 电池试验是在1988年9月时进展的，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，获得较好的效果2023 年1 月发射的“神舟3号”飞船和2023 年5 月发射的“海洋21”卫星上，也应用了单结GaAs/ GaAs 电池[6] 四、砷化镓电池产业开展现状 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Azur Space等，中国的产业化推广还未成形 2023年8月开场，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2023年，全球的砷化镓电池的消费获得打破性的开展， 4月，作为砷化镓消费的全球主要厂家之一Spectro Lab，获得350兆瓦，9300万美元〔1000倍聚光〕的电站订单。

在东亚地区，也有初步的消费推广，2023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开展，光伏电池的消费在逐步推开砷化镓电池产业开展遇到的问题 砷化镓光伏电池有着较优的转化效率，有明显的开展优势，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〔电解铝工程得到严格控制〕，短期内要扩大粗镓的消费比拟难另一方面，由于半导体材料对纯度的要求很高，对半导体用镓的要求到达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，对扩大再消费构成限制，总体上增加了制备费用 二是砷化镓的另一个组分砷有毒，对于环境平安和消费工人自身身体平安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，对于降低本钱有利，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理解，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施行的难度[9] 第五，国内市场这几年的注意力都集中在多晶硅市场，而且是进展的是一种90%以上原料依赖进口，90%以上产品依赖出口的一种形式，没有把注意力集中到外乡化光伏发电推广，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开展来说也是不利的 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 第七是国家政策，政府政策支持在光伏产业方面比拟宏观，目前还没有做到对光伏电池行业进展分类别对待，支持产业开展，在本钱竞争不具备优势的情况下，政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开展造成了障碍 第 页 共 页。