砷化镓薄膜电池的发展现状.doc

毕业设计报告 论文 毕业设计报告 论文 2014 届 题 目 砷化镓薄膜电池的发展现状 所 属 系 材料系 班 级 光伏 1111 学 生 姓 名 丁勇 学 号 2011104114 同 组 成 员 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 II 指 导 教 师 肖雪军 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 I 摘 要 美国的阿尔塔设备公司使用外延层剥离技术 用砷化镓制造出了最高转化效率达 28 4 的薄膜太阳能电池 这种电池不仅打破了此前的转化效率 其成本也低于其他太 阳能电池 该太阳能电池效率提升的关键并非是让其吸收更多光子而是让其释放出更 多光子 未来用砷化镓制造的太阳能电池有望突破能效转化记录的极限 目前效率最 高的商用太阳能电池由单晶硅圆制造 最高转化效率为 23 砷化镓虽然比硅贵 但 其收集光子的效率更高 就性价比而言 砷化镓是制造太阳能电池的理想材料 未来的空间用砷化镓太阳能电池市场将全部由国内企业分享 聚光型砷化镓太阳 能电池的地面应用正逐步成为新的趋势 未来几年我国地面用砷化镓太阳能电池可能 会有一个快速增长过程 关键词关键词 砷化镓 介绍与应用 现状 发展趋势和前景 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 II Abstract Alta equipment companies in the United States to use the epitaxial layer stripping technology using gallium arsenide produced the highest conversion efficiency up to 28 4 of the thin film solar cells The battery is not only broke the previous conversion efficiency its cost is lower than other solar cells The key to the solar cell efficiency is not let it absorb more photons but let its release more photons the future made of gallium arsenide solar battery is expected to break the limit of energy efficiency into record At present the most efficient commercial solar cells manufactured by monocrystalline silicon circle the highest conversion efficiency of 23 Gallium arsenide although more expensive than silicon the collection of photons is more efficient In terms of price gallium arsenide is an ideal material to make solar cells Future space with gallium arsenide solar battery market share all by domestic enterprises Concentrating the ground of the gallium arsenide solar battery application is gradually becoming a new trend In the next few years in our country the ground USES gallium arsenide solar battery may have a rapid growth process Keywords Gallium arsenide Introduction and application of The statusquo Development trends and prospects 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 III 目录 摘 要 I 第一章 绪 论 1 1 1 本文的研究背景和意义 1 1 2 国内外研究发展现状 1 1 2 1 砷化镓材料在国内发展现状 1 1 2 1 砷化镓材料在国外发展现状 3 第二章 砷化镓材料的介绍与应用 7 2 1 砷化镓材料的性质 7 2 2 砷化镓材料的制备工艺 7 2 2 1 液封直拉法 Liquid Encapsulated Czochalski 简称 LEC 7 2 2 2 水平布里其曼法 HorizontalBridgmna 简称 HB 8 2 2 3 垂直布里其曼法 VerticalBridman 简称 VB 8 2 2 4 垂直梯度凝固法 Vertical Gradient Freeze 简称 VGF 9 2 2 5 蒸汽压控制直拉法 VaporControlCzochralski 简称 VCZ 9 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 IV 2 2 6 各种生长工艺的对比 9 2 3 砷化镓材料的开发与应用 11 2 3 1 砷化镓电子器件的开发和利用 11 2 3 2 砷化镓光电器件的应用 13 第三章 砷化镓薄膜电池的现状与发展前景 14 3 1 砷化镓薄膜电池的现状 14 3 1 1 空间用砷化镓薄膜电池 14 3 1 2 地面聚光砷化镓太阳能电池 14 3 1 3 国际砷化镓太阳能电池的市场状况 16 3 1 4 国内砷化镓太阳能电池的市场状况 16 3 2 砷化镓薄膜电池的发展前景 17 3 2 1 国内砷化镓太阳能电池市场的发展前景 17 3 2 2 砷化镓太阳能电池技术发展前景 18 第四章 设想与建议 19 参考文献 20 致 谢 22 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 1 第一章 绪 论 1 1 本文的研究背景和意义本文的研究背景和意义 目前 在轨空间用三结砷化镓太阳能电池应用规模超过 750KW 最近 5 年三结砷 化镓太阳能电池每年实际生产和销售规模平均保持在 100KW 以上 相比而言 我国因 起步较晚 目前空间用太阳能电池尚处于由晶体硅材料电池向三结砷化镓材料电池过 渡的阶段 国内砷化镓太阳能电池光电转换效率的进一步提高 必将进一步加快其取 代晶体硅太阳能电池的速度 此外 砷化镓是继硅之后研究最深入 应用最广泛的半导体材料 由于砷化镓禁带宽 度宽 电子迁移率高 因而砷化稼不仅可直接研制光电子器件 如发光二极管 可见光激 光器 近红外激光器 量子阱大功率激光器 红外探测器和高效太阳能电池等 而且在 微电子方面 以半绝缘砷化镓 Si 一 GaAs 为基体 用直接离子注入自对准平面工艺研制的 砷化镓高速数字电路 微波单片电路 光电集成电路 低噪声及大功率场效应晶体管 具有速度快 频率高 低功耗和抗辐射等特点不仅在国防上具有重要意义在民用和国 民经济建设中更有广泛应用 砷化镓是一种很有发展前途的制作太阳能电池的材料 太阳能电池可以把太阳能 直接转换为电能 硅太阳能电池是世界上使用最多的一种 它的转换效率最高能够达到 18 20 而砷化镓太阳能电池最大效率预计可以达到 23 26 它是目前各种类型 太阳能电池中效率预计最高的一种 砷化镓太阳能电池抗辐射能力强 并且能在比较高 的温度环境中工作 这不仅对探索宇宙的研究提供了有利条件 而且也标志着人类在直 接利用无穷无尽的太阳能方面又迈进了一步 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 2 1 2 国内外研究发展现状国内外研究发展现状 1 2 1 砷化镓材料在国内发展现状 目前中国的砷化镓材料生产企业主要以 LED 用低阻砷化镓晶片为代表的低端市场 为主 利润率较高的微电子用 4 6 英寸半绝缘晶片还没有形成产业规模 中国大陆从 事砷化镓材料研究与生产的公司主要有 北京通美晶体技术有限公司 AXT 中科晶 电信息材料 北京 有限公司 天津晶明电子材料有限责任公司 中电集团 46 研究所 北京中科镓英半导体有限公司 北京国瑞电子材料有限责任公司 扬州中显机械有 限公司 山东远东高科技材料有限公司 大庆佳昌科技有限公司 新乡神舟晶体科技 发展有限公司 原国营 54 厂 等九家 北京通美是美国 AX 独资子公司 其资金 管理和技术实力在国内砷化稼材料行业 首屈一指 产品主要以 VGF 法 4 6 英寸半绝缘砷化稼材料为主 其在高纯镓 高纯砷 高纯锗以及氮化硼坩埚等方面均有投资 有效地控制了公司成本 2009 年销售收入 8000 万美元 短期内国内其它各公司还难以和北京通美形成真正的竞争 中科晶电成立于 2006 年 主要从事 VGF 砷化镓单晶生长和抛光片生产 该公司为民 营企业 总投资为 2500 万美元 在高纯砷和高纯稼方面也已投资建厂 2009 月产 2 英寸 砷化稼晶片 10 万片 2010 年月产达到万片 该公司是目前国内发展速度最快的砷化镓 企业 天津晶明公司成立于 2007 年 由中国电子科技集团公司第四十六研究所投资 注册 资本 1400 万元 总投入约 5000 万元 主要产品为 2 英寸 LED 用 VB 法低阻砷化镓晶体及抛光片 兼顾少量 3 一 4 英寸半绝缘砷化稼单晶材料 目前拥 有 LEC 单晶炉 4 台 VB 单晶炉 60 台 已建成一条完整的单晶生长及抛光片加工生产线 目前月产约为 3 万片 中科稼英公司成立于 2001 年 晶体生长只有两台 LEC 单晶炉 目前主要在国内购买 HB 或 VGF 砷化嫁单晶进行抛光片加工 销售对象主要是国内的 LED 外延企业 月产约 2 一 3 万片 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 3 北京国瑞公司和扬州中显公司主要生产 2 一 2 5 英寸 HB 砷化镓单晶 山东远东公 司主要生产 2 英寸 LEC 或称 LEVB 砷化镓单晶 这三家公司的产品主要针对 LED 市场 其单晶质量 成品率以及整体经营状况都很稳定 这三家公司目前都没有晶片加工工 序 只能将单晶卖给其它公司进行加工 大庆佳昌原主要从事 LEC 砷化镓单晶生长 曾生长出 8 英寸 ELC 砷化镓单晶样品 2009 年争取到政府立项投资 1 3 亿元 转向以 VGF 工艺生产 LED 用低阻砷化镓材料 目 前已完成厂房建设和小试生产 其产品定位主要在 4 英寸市场 新乡神舟公司主要从事 LEC 和 HB 砷化镓单晶生长 近期开始进行 VGF 法砷化镓 工艺研究 目前的市场定位还不是很明确 主要以承担军工科研任务为主 国内砷化镓材料主要生产企业 主要企业采用工艺晶体直径所在地区 中科晶电信息材料 北京 有限公司 天津晶明电子材料有限责任公司 46 所 北京中科惊英半导体有限公司 北京国瑞电子材料有限责任公司 扬州中显机械有限公司 山东远东高科技材料有限公司 大庆佳昌科技有限公司 新乡神舟晶体科技发展有限公司 VGF VB VGF LEC LEC HB HB LEC LEVB LEC VGF HB LEC 2 4 2 4 2 4 2 2 5 2 2 5 2 3 2 4 2 3 北京 天津 北京 北京 扬州 济宁 大庆 新乡 1 2 1 砷化镓材料在国外发展现状 日本是世界上最大的化合物半导体材料和器件的生产国 日本的砷化镓产量占世 界的 60 80 对于砷化镓单晶的详细生产情况 各国都未报道具体数字 但可以 通过生产砷化镓单晶所使用的原料镓的消耗量来推算出单晶的生产量 有文献 1 2 报道 了日本 1994 年 2000 年生产砷化镓单晶及外延用的镓使用量 列于表 1 表 1 日本生产砷化镓单晶及外延用镓量 1 2 单位 t 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 4 项目名称1994199519961997199819992000 单晶 外延 合计 GaAs GaAs LED GaAs LD 26 28 2 0 56 34 36 2 0 72 27 28 2 0 57 34 36 2 4 72 4 35 37 3 0 75 39 41 3 0 83 45 47 3 3 95 3 根据化学方程计算 1t 镓可合成 2t 砷化镓 但综合考虑到合成和拉晶过程的损耗 以及成品率等因素 且按产出率为 80 计算 就可计算出日本近年砷化镓单晶的产量 另外 近年美国和欧洲一些发达国家砷化镓单晶的发展也很快 估计日本的产量已占 不到 80 有些下降 若估计为 60 70 则同时可以推算出全世界的砷化镓产量 列于表 2 文献 15 报道了日本 2000 年的镓消费量占世界的 67 根据 45t 镓的消费量 推算 2000 年日本的砷化镓单晶产量应为 72t 其他国家按 33 比例计算应为 35 5t 全世界则应为 108t 左右 有文献 6 报道了镓的用途分布状况 以 1997 年为例 全世界 对镓总需量为 164t 化合物半导体单晶用 90t 其中 GaAs 用 70t 占总用量的 42 7 GaP 用 20t 化合物半导体材料外延用 72t 其中 GaAs 用 48t GaP 用 24t 其它用途研究开发用量为 2t 6 另外 有文献报道了各国和地区 1994 年 1999 年对镓的需求量 详见表 3 1 表 2 世界近几年砷化镓单晶产量 单位 t 年份1997199819992000 日本 其他 按 40 计算 全世界 其他按 40 计算 其他 按 30 计算 全世界 其他按 30 计算 54 4 36 2 90 6 23 3 77 7 56 37 2 93 2 24 80 62 4 41 6 104 16 7 89 1 72 48 120 31 103 表 3 世界对镓的需求量 1 单位 t 国家及地区199419951996199719981999 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 5 日本 美国 欧洲 其他 合计 93 22 4 4 123 115 25 6 5 151 92 40 7 6 145 113 36 9 6 164 101 38 10 7 156 109 40 11 7 167 根据表 3 1 的数据 按文献 6 报道的 GaAs 单晶用镓的比例 42 7 计算后 得到世界 各主要 GaAs 单晶生产国和地区的产量和全世界的总产量 见表 4 当然 由于各国镓 用途有所不同 所以 估计的 GaAs 单晶需求量可能与实际有些出入 在手机用砷化镓系电子器件生产激增的背景下 使生产砷化镓用的主要材料高纯 镓的需求从 2000 年以来一直处于供不应求的状态 引发了价格暴涨 2001 年 3 月末 中国生产的现货粗镓达到 2300 美元 kg 在这种供求失衡的状况下 促使各主要镓生产 厂积极扩产 日本住友化学公司向中国铝业提供技术 签订了委托生产粗镓年产 20t 的 合同 法国的 CEO 公司决定启动在澳大利亚的镓萃取设备 产能将由 50t a 提高到 100t a 日本同和矿业公司供应全球镓需求的约 40 该公司也在加强包括粗镓在内的 产能 中国各生产厂也在增加产能 据专家预测 目前镓供不应求的局面将于 2002 年 结束 并随之出现供给过剩 价格下跌的局面 并预测镓的需求将以约年均 17 的速 度增长 还预测了到 2005 年镓的需求量和供求状况 见表 5 16 表 4 世界 GaAs 单晶需求量 单位 t 国家及地区199419951996199719981999 日本 美国 欧洲 其他 合计 64 15 2 7 2 7 84 4 78 17 4 1 3 4 102 5 63 27 4 8 4 1 98 9 77 25 6 0 4 0 112 69 26 6 8 4 8 106 6 75 27 7 5 4 8 114 3 表 5 世界高纯镓需求变化预测 单位 t 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 6 年份需求量供应能力供求状况 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 210 250 290 340 400 460 204 235 350 470 500 530 6 15 60 130 100 70 根据以上预测 到 2005 年 全球镓需求量将达到 460t 若按上面 1997 年生产砷 化镓单晶所占用镓量占总量 43 的比例计算 砷化镓单晶用镓量将达到 198t 按 1t 镓 生产 2t 砷化镓计 再按 80 的成品率计算 届时其全球的砷化镓需求量将达到 317t 另外 随着 GaAs 单晶生产的发展 也加大了对高纯 Ga 的需求 日本是世界最大的 Ga 消费国 2000 年 Ga 消费量占世界总消费量的 67 15 预计需求量为 128t 因而 Ga 价上扬不少 虽然 2001 年需求转软 但市场一旦度过低潮期 将会再次进入旺盛 的需求期 日本每年都向我国进口原料 Ga 4N 4 5t 15 我国的加工和精炼厂应抓住这 种机会 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 7 第二章 砷化镓材料的介绍与应用 2 1 砷化镓材料的性质砷化镓材料的性质 砷化镓是典型的直接跃迁型能带结构 导带极小值与价带极大值均处于布里渊区中 心 即 K 0 处 这使其具有较高的电光转换效率 是制备光电器件的优良材料 在 300K 时 砷化镓材料禁带宽度为 1 42eV 远大于锗的 0 67eV 和硅的 1 12eV 因此 砷化镓器件可以工作在较高的温度下和承受较大的功率 砷化镓 GAas 材料与传统的硅半导体材料相比 它具有很高的电子迁移率 宽禁带 直接带隙 消耗功率低的特性 电子迁移率约为硅材料的 5 7 倍 因此 广泛用于高频及无线通讯中制作 IC 器件 所制出的这种高频 高速 防辐 射的高温器件 通常应用于无线通信 光纤通信 移动通信 GPS 全球导航等领域 除在 IC 产品应用以外 砷化镓材料也可以加入其它元素改变其能带结构使其产生光电 效应 制成半导体发光器件 还可以制作砷化镓太阳能电池 2 2 砷化镓材料的制备工艺砷化镓材料的制备工艺 开发 GaAs 单晶的生长技术 从上世纪 50 年代开始到现在 经过了半个世纪的几 代科学工作者的努力 已开发出了不少生长方法 经过优选 现在比较成功的工业化 生长工艺主要有 LEC 液封直拉法 HB 水平布里支曼法 VGF VB 垂直梯度凝 固法 垂直布里支曼法 和 VCZ 蒸气压控制直拉法 等 下面分别介绍各种方法 2 2 1 液封直拉法 Liquid Encapsulated Czochalski 简称 LEC LEC 法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶 SI GaAs 的主要工艺 目前市场上 80 的 半绝缘砷化镓单晶采用 LEC 法生长的 LEC 法采用石墨加热器和 PBN 坩埚 以 B2O3 作为液封剂 在 2MPa 的氩气环境下进行砷化镓晶体生长 LEC 工艺的主要优点是可 靠性高 容易生长较长的大直径单晶 晶体碳含量可控 晶体的半绝缘特性好 其主要 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 8 缺点是 化学剂量比较难控制 热场的温度梯度达 100K 150K cm 晶体的位错密度高 达 0 5 1 105cm 2而且分布不均匀 日本日立电线公司于 1998 年首先建立了 6 英寸 LEC 砷化镓单晶生产线 该公司安装了当时世界上最大的砷化镓单晶炉 坩埚直径 400mm 投料量 50 公斤 生长的 6 英寸单晶长度达到 350mm 德国 Feribegrer 公司于 2000 年报道了世界上第一颗采用 LEC 工艺研制的 8 英寸砷化镓单晶 2 2 2 水平布里其曼法 HorizontalBridgmna 简称 HB HB 法是曾经是大量生产半导体 低阻 砷化镓单晶 SC GaAs 的主要工艺 使用石英 舟和石英管在常压下生长 可靠性和稳定性高 HB 法的优点是可利用砷蒸汽精确控制 晶体的化学剂量比 温度梯度小从而达到降低位错的目的 HB 砷化镓单晶的位错密度 比 LEC 砷化镓单晶的位错密度低一个数量级以上 主要缺点是难以生长非掺杂的半绝 缘砷化镓单晶 所生长的晶体界面为 D 形 在加工成晶片过程中将造成较大的材料浪费 同时 由于高温下石英舟的承重力所限 难以生长大直径的晶体 目前采用 HB 工艺工业 化大量生产的主要是 2 英寸和 3 英寸晶体 报道的 HB 法砷化镓最大晶体直径为 4 英寸 目前采用 HB 工艺进行砷化镓材料生产的公司己经不多 随着 VB 和 VGF 工艺的日渐成 熟 HB 工艺有被逐渐取代的趋势 2 2 3 垂直布里其曼法 VerticalBridman 简称 VB VB 法是上世纪 80 年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺 将合成好的砷化镓多 晶 B2O3以及籽晶装入 PBN 坩埚并密封在抽真空的石英瓶中 炉体垂直放置 采用电阻 丝加热 石英瓶垂直放入炉体中间 高温下将砷化镓多晶熔化后与籽晶进行熔接 然后通 过机械传动机构由支撑杆带动石英瓶与坩埚向下移动 在一定的温度梯度下 单晶从籽晶 端开始缓慢向上生长 VB 法即可以生长低阻砷化镓单晶 也可以生长高阻半绝缘砷化 镓单晶 晶体的平均 EPD 在 5000 个 cm 2 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 9 2 2 4 垂直梯度凝固法 Vertical Gradient Freeze 简称 VGF VGF 工艺与 VB 工艺的原理和应用领域基本类似 其最大区别在于 VGF 法取消了 晶体下降走车结构和旋转机构 由计算机精确控制热场进行缓慢降温 生长界面由熔 体下端逐渐向上移动 完成晶体生长 这种工艺由于取消了机械传动结构 使晶体生 长界面更加稳定 适合生长超低位错的砷化镓单晶 VB 与 VGF 工艺的缺点是晶体生 长过程中无法观察与判断晶体的生长情况 同时晶体的生长周期较长 目前国际上商 用水平已经可以批量生产 6 英寸的 VB VGF 砷化镓晶片 Freiberger 公司在 2002 年报 道了世界上第一颗采用 VGF 工艺研制的 8 英寸砷化镓单晶 2 2 5 蒸汽压控制直拉法 VaporControlCzochralski 简称 VCZ 蒸汽压控制直拉法 VCZ 是近年开发的方法 它是对 LEC 工艺重大改进的方法 它与 LEC 法不同的是 它在 LEC 炉内设计了一个内存 V 族元素气氛的密封容器 砷 化镓熔液在 B2O3覆盖下 在密封容器中进行单晶拉制 该法的生长系统 温度梯度小 化学配比可控性好 晶体表面因无 As 挥发而保持有金属光泽 其位错密度 EPD 比原 LEC 晶体低一个数量级以上 且均匀性更好 残余热应力降低半个数量级 此法也是 生长用于 GaAs IC 的大直径 高质量 11 GaAs 单晶的很有前途的方法 日本住友用此法 已成功拉制出直径 150mm 的 GaAs 单晶 但该法的缺点是 生长过程不易实时观察 设备复杂 生产效率较低 如果用于工业化批量生产其成本压力较大 提高工艺重复 性 可靠性 提高生产效率及实现自动控制是未来主要研究方向 2 2 6 各种生长工艺的对比 从以上各种方法的分析和下面表 6 表 7 的对比之后 得出的基本结论是 LEC 法仍是生长 SI GaAs 单晶的主要方法 VB VGF 及 VCZ 是将来生长砷化镓单晶最佳和 最有前途的方法 而 HB 法仍然是目前制备用于 LD 和 LED 器件的标称直径 50mm 75mm 砷化镓衬底材料的成熟工艺 表 6 对各类方法的优缺点作了比较 表 7 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 10 列出了各种生长方法更为详尽的资料 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 11 表 6 工业上应用的砷化镓生长方法比较 7 科学技术特点LECVCZHBVGF VB 低 EPD 可能性 EPD 分布均匀性 网格 ceil 尺寸 碳控制 化学计量 EL2控制 晶体长度 晶体直径 背景杂质 工艺可行性 投资 运行费用 生产效率 工艺成熟程度 差 中 小 很好 较好 很好 很好 低 好 大 高 高 高 好 好 大 较难 好 受限制 较好 低 可能 很大 很高 较低 低 很好 好 很大 差 好 差 好 受限制 低 好 小 低 中 高 很好 好 很大 较差 好 较差 好 好 低 好 小 低 低 较高 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 12 表 7 砷化镓材料各种生长方法比较 8 9 生长方法HBVB VGFLECVCZ 温度梯度 砷蒸汽压控制 晶体形状 生长观察 生长速度 单晶直径 mm 位错密度 cm 2 A B 坑蚀 cm 2 EL2 杂质 片均匀性 热应力 单晶长度 机械强度 技术成熟度 设备投入 加工损耗 低 良 D 形 能 慢 76 103 102 Si 差 低 长 高 成熟 低 高 低 良 圆 不能 较慢 150 103 102 低 B 良 极低 短 高 开发 低 极低 较高 差 圆 能 可 150 105 105 高 B C 可 高 短 低 成熟 高 低 低 良 圆 能 可 150 103 102 低 B C 良 极低 短 高 开发 高 低 2 3 砷化镓材料的开发与应用砷化镓材料的开发与应用 2 3 1 砷化镓电子器件的开发和利用 根据砷化镓材料电子迁移率高的特性 它是开发超高速计算机很理想的器件材料 它的电子迁移率比硅高约 5 倍 它的运算速度比硅器件也高许多 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 13 在上世纪 70 80 年代 人们纷纷预测并看好砷化镓材料将在超高速计算机的发展 中起着重要作用 并投入了相当的人力和财力进行研究 然而 由于一些技术和成本 问题 加之异军突起而开发出的硅材料互补型金属氧化物半导体集成电路 CMOS 其 工作电压低 功耗较低 速度较快 成本低 能满足当时的器件需要 因此 形成了 对砷化镓的竞争压力 致使 GaAs IC 开发超高速计算机暂时放缓了速度 近年 随着冷战结束 许多军用技术都转入民用 由于砷化镓材料所独具的高频 高速 低噪声 低工作电压特性 它在信息的高频高速传送和数字化的处理方面 发 挥着重大的作用 用砷化镓材料所开发出的电子器件 如金属半导体场效应晶体管 MESFET 高迁移率晶体管 HEMT 微波单片集成电路 MMIC 异质结双极晶体管 HBT 等在移动通讯 光纤通讯 卫星广播通讯 情报处理以及其它一些领域发挥 着硅器件不可替代的作用 这些应用的推广大大推动了 SI GaAs 材料的发展 表 8 8 18 19 列出了砷化镓材料电子器件方面的种类和用途 表 8 砷化镓电子器件的种类和用途 8 18 19 电子器件材料工业层 衬底应用领域用途器件技术动向材料要求 数字 IC MESFET HEMT GaAs GaAs GaAIAs GaAs 情报处理 超高速计算 机 个人电 脑 ATM 图像处理 高集成 低工作 电压 微波器件 MESSFET HEMT 模拟 IC MMIC HBT GaAs GaAs GaAIAs GaAs GaAIAs InGaA GaAs InGaP GaAs 通讯 微波 移动通讯 卫星广播 低噪声音接 收 放大 发射 汽车 防碰撞系统 PAR 高功率 低噪声 高集成 低工作 电压 成本低 大直径 Vth 低且重 复性好 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 14 霍尔器件GaAs GaAs民用产业 汽车 VTR FD D 传感器 位置检测传 感器 高灵敏度 低成本 大直径 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 15 2 3 2 砷化镓光电器件的应用 砷化镓光电器件的应用方面 可见光发光二极管 LED 由于它体积小 节能 响应快 寿命长 被广泛应用于家电 办公设备 广告牌 交通信号灯及汽车尾灯等 红外发光二极管 用作遥控器 光隔离器 编码器及 PC 机 办公设备的无线连接 近距离情报传送等 激光器 LD 广泛应用于 CD MD DVD 及医疗和其它一些工业领域 砷化镓 太阳电池用于卫星通讯等领域 砷化镓器件的这些广泛的军 民领域的使用 极大地 推动了掺杂导电性砷化镓的发展 表 9 列出了砷化镓材料用作光电器件方面的种类和 用途 8 18 19 表 9 砷化镓光电器件的种类和用途 8 18 19 光电器件材料 工作层 衬底 应用领 域 用途 器件技术 动向 材料要求 可见光 LED GaAsP GaAs 红 GaAIAs GaAs 高亮度红色 InGaAIP GaAs 高亮度橙 黄 民用产 业 家电 DA 电子设 备显示 广告牌 汽 车尾灯 传真用光源 及信号灯 高亮度 短波长化 低成本 大直径 红外 LED GaAs GaAs GaAIAs GaAs 民用产 业 家电 DA 电子产 业机械 遥控及光辆 合器 光断路器 高功率 高速化 低成本 大直径 半导体激光 器 短波长 LD GaAs GaAs GaAIAs GaAs 780nm InGaAIP GaAs 680 6 30nm 光通信 产业 民用 光通信交换机 光 LAN 用发光器件 各种检测设备发光器 件 CD MD 激光打 印 CD Rom DVD Rom DVD RAM 高功率 集成化 高功率 短波长化 低位错 低成本 大直径 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 16 太阳电池GaAs GaAs能源 卫星广播 通讯 无 人气象观测站 高功率 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 17 第三章 砷化镓薄膜电池的现状与发展前景 3 1 砷化镓薄膜电池的现状砷化镓薄膜电池的现状 3 1 1 空间用砷化镓薄膜电池 空间用砷化镓太阳能电池在光电转换效率 耐高温性能 空间抗辐射能力方面具 有比晶体硅太阳能电池更优异的性能 实用性转换效率为晶体硅太阳能电池的近 2 倍 抗辐射性能比晶体硅太阳能电池高 1 2 个数量级 寿命可比晶体硅太阳能电池增加约 1 2 倍 其在高温下的性能衰减是晶体硅太阳能电池的 60 70 上述特性 使得砷化 镓太阳能电池在空间飞行器领域取代晶体硅太阳能电池 成为最主要的新一代空间电 源 目前 国际上空间用三结砷化镓太阳能电池的实际转换效率已经达到 29 5 实 验室转换效率已经达到 32 三结砷化镓太阳能电池组件在国外小卫星空间电源系统 中的比例已经达到 80 其中以美国最高 欧洲的伽利略系列卫星 金星探测卫星和 火星探测卫星等也普遍使用三结砷化镓太阳能电池 目前 在轨空间用三结砷化镓太 阳能电池应用规模超过 750KW 最近 5 年三结砷化镓太阳能电池每年实际生产和销售 规模平均保持在 100KW 以上 相比而言 我国因起步较晚 目前空间用太阳能电池 尚处于由晶体硅材料电池向三结砷化镓材料电池过渡的阶段 国内砷化镓太阳能电池 光电转换效率的进一步提高 必将进一步加快其取代晶体硅太阳能电池的速度 从全 球来看 军事 民用卫星和航天器的大量发射是砷化镓太阳能电池巨大的市场所在 砷化镓太阳能电池发展水平 一定程度上是一个国家空间飞行器电源技术实力的体现 因此各国都投入巨资大力扶持砷化镓太阳能电池的研发 3 1 2 地面聚光砷化镓太阳能电池 聚光技术是目前广泛应用于提高三结砷化镓太阳能电池光电转化效率 降低发电 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 18 成本的主流技术 其原理是以三结砷化镓太阳能电池芯片高温条件下光电转化效率相 对恒定的特性为基础 利用透镜将太阳光聚焦几百至上千倍后投射到砷化镓太阳能电 池芯片表面 使单位面积的砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流等同于自然光照条件 下电池芯片产生的光电流的数百倍 比如 500 倍聚光下 1 平方厘米砷化镓太阳能电池 芯片产生的光电流 基本等于相同时间自然光照条件下 500 平方厘米砷化镓太阳能电 池芯片产生的光电流 地面聚光技术的迅猛发展 大大降低了地面用砷化镓太阳能发 电系统的单位成本 使其经济性大大提高 2007 年 Spectrolab 公司生产的 600 倍聚光 太阳能电池芯片成本为 0 8 美元 瓦 Emcore 公司 2008 年 5 月其向韩国供应的 500 倍聚光太阳能电池芯片成本为 0 40 美元 瓦 2008 年 11 月该公司生产的聚光太阳能 电池发电系统成本为 3 6 美元 瓦 地面聚光砷化镓太阳能电池的投资和发电成本的降 低 使砷化镓电池在地面进行商业应用成为可能 2003 年 澳大利亚建成首个千瓦级 的聚光砷化镓电池商用试验电站 2008 年 西班牙建成全球上首个 3 兆瓦规模的商用 聚光砷化镓电池发电系统 预示着聚光砷化镓太阳能发电系统 MW 级时代已经到来 未来几年经过产品的市场导入期后将进入快速增长阶段 在国内 新奥集团与美国 Emcore 公司合作 已于 2008 年 11 月在河北廊坊架设一套 50KW 的聚光砷化镓太阳 能发电系统 为新奥集团的煤气化项目提供电力 并计划最终将该发电系统建成 60MW 发电量的规模 目前 国内已有数套 25 千瓦的聚光砷化镓太阳能发电系统工 作 截至 2008 年底 Emcore 公司和 SolFocus 公司在西班牙 希腊 美国已安装完 成多个聚光砷化镓太阳能光伏发电系统 具体情况如下 电站功率电站地点安装完成时间供应商 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 19 300KW 200KW 7 6KW 2 5KW 17KW 300KW 50KW 850KW Almoguera 西班牙 Puertollano 西班牙 Fremont 美国 Kailua Kona 美国 Palo Alto 美国 Extremadura 西班牙 廊坊 中国 Castilla La Mancha 西班牙 2008 年9 月 2008 年7 月 2008 年6 月 2007 年9 月 2007 年4 月 2008 年12 月 2008 年11 月 2008 年7 月 SolFocus SolFocus SolFocus SolFocus SolFocus Emcore Emcore Emcore 同时 Emcore 公司和 SolFocus 公司还有多份实施中的聚光砷化镓太阳能光伏发 电系统订单 具体情况如下 电站地点电站功率签约时间项目进度供应商 葡萄牙 美国 希腊 希腊 西班牙 韩国 8 5MW 21 350MW 10MW 10MW 大于 1OMW 不超过 70MW 2009 年 9 月 2009 年 7 月 2009 年 3 月 2008 年 12 月 2008 年 11 月 2008 年 5 月 2010年完成2MW 2014 年完成 实施中 2010年底前完成 2009 年7 月开始实施 实施中 预计2010 年5 月完成 SolFocus SolFocus SolFocus SolFocus SolFocus Emcore 3 1 3 国际砷化镓太阳能电池的市场状况 目前 美国是实现砷化镓太阳能电池光电转换效率最高的国家 也是砷化镓太阳 能电池最大生产地 在砷化镓太阳能电池技术上处于全球领先地位 空间和地面聚光 用砷化镓太阳能电池实际产量均约占全球 50 美国还是 MOCVD 设备 砷烷 磷烷 等特殊气体的主要生产国 具有对砷化镓太阳能电池上有较强的控制力 Emcore 公司 和 Spectrolab 公司 波音公司下属的光伏实验室 是全球最主要的砷化镓太阳能电池制 造商 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 20 3 1 4 国内砷化镓太阳能电池的市场状况 在国内航天产业发展需求的带动下 我国在空间用砷化镓太阳能电池的研发和生 产取得快速发展 空间用三结砷化镓太阳能电池的光电转换效率已达到或接近国际先 进水平 目前 中国航天科技集团上海空间电源研究所 中国电子科技集团 18 所是国 内具有空间用三结砷化镓太阳能电池芯片生产资质的两家机构 中国电子科技集团 18 所主要以自产三结砷化镓太阳能电池外延片生产太阳能电池芯片为主 3 2 砷化镓薄膜电池的发展前景砷化镓薄膜电池的发展前景 3 2 1 国内砷化镓太阳能电池市场的发展前景 1 空间用砷化镓太阳能电池市场稳定且潜力巨大 从整体上看 国内空间用太阳能电池目前正处于由晶体硅太阳能电池向三结砷化 镓电池过渡的时期 砷化镓太阳能电池取代晶体硅太阳能电池已成为不可逆转的趋势 现阶段 我国的砷化镓太阳能电池的应用领域也仍以空间应用为主 我国发射的卫星 上使用的太阳能电池完全由我国企业和科研机构生产 未来的空间用砷化镓太阳能电 池市场将全部由国内企业分享 未来十年将是中国航天快速发展的新阶段 探月工程 计划 神舟计划 北斗全球卫星定位系统等重大空间计划进入关键实施时期 为此将 生产制造一大批空间飞行器发射升空 据麦肯桥资讯预测 仅北斗全球卫星定位系统 到 2015 年就将完成 30 余颗卫星的发射升空 仅按平均每颗卫星约需 4 寸三结砷化镓 电池外延片 5000 片粗略估算 未来 5 年国内空间用太阳能电池外延片市场规模在 30 万片以上 其中仅北斗全球卫星定位系统未来 5 年就将需要 4 寸三结砷化镓电池外延 片 10 万片以上 目前 国内能够生产高效三结砷化镓电池外延片的单位仅中国电子 科技集团 18 所等少数几家 2008 年的产能约为 3 万余片 远远不能满足市场需求 2 地面聚光砷化镓太阳能电池目前处于市场导入期 未来可能快速增长 在地面应用市场 国内聚光砷化镓太阳能电池尚未形成产量供应市场 目前整个 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 21 产业链主要环节中试技术和产品已经完成 正在进入小规模电站试验阶段 例如 在 2009 年国家发改委已经立项批准 在云南昆明建设大型并网光伏电站试验示范项目 项目总规模 166MW 分为产业区和试验区 产业区建设晶硅发电站 试验区建设 MW 级 6MW 聚光砷化镓电池和其它薄膜电池发电站 随着聚光技术 跟踪技术的快速发展 聚光型三结砷化镓太阳能电池的经济性将 进一步提高 目前 已有多个项目地面太阳能光伏发电系统将以聚光型砷化镓太阳能 电池作为核心部件进行建设 聚光型砷化镓太阳能电池的地面应用正逐步成为新的趋 势 未来几年我国地面用砷化镓太阳能电池可能会有一个快速增长过程 3 2 2 砷化镓太阳能电池技术发展前景 1 空间用砷化镓太阳能电池技术发展趋势 未来空间用砷化镓太阳能电池的技术发展 将以提高电池产品光电转换效率和提 高抗辐射能力为主要方向 空间飞行器发射成本很大程度上是由发射载荷决定的 飞 行器电池光电转换效率的提高 有助于降低空间飞行器电池系统重量从而减少发射载 荷 能显著节约发射成本 砷化镓太阳能电池取代晶体硅太阳能电池成为空间用太阳 能电池的主流正是基于此 空间飞行器的使用寿命在很大程度上是由电池的有效工作 时间长短决定的 空间飞行器电池在外太空所承受的辐射强度远高于地面 提高空间 用砷化镓太阳能电池抗辐射能力 将有助于延长电池有效工作时间 从而延长空间飞 行器使用寿命 如何在提高空间用砷化镓太阳能电池光电转换效率的同时 增强其抗 辐射能力 是未来空间用砷化镓太阳能电池技术发展的另一主要方面 2 地面聚光砷化镓太阳能电池技术发展趋势 未来地面聚光砷化镓太阳能电池的技术发展 主要以提高电池芯片光电转换效率 更高聚光倍数电池的研制 提高聚光组件聚光效率和研发更高效的追踪技术为主要方 向 地面聚光砷化镓太阳能电池的广泛应用 主要取决于与晶体硅太阳能电池和薄膜 太阳能电池的比较经济优势 地面聚光砷化镓太阳能电池芯片光电转换效率的提高 更高聚光倍数电池的应用 将直接降低发电系统的每瓦发电成本 提高产品性价比 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 22 聚光组件聚光效率的提高 对降低发电系统每瓦发电成本具有直接作用 研发更高效 的追踪技术 将延长地面聚光砷化镓太阳能电池有效吸收太阳光能的时间 同样可以 降低发电每瓦发电成本 这些技术的发展 决定了地面聚光砷化镓太阳能电池比较经 济优势扩 大的速度 将直接影响地面聚光砷化镓太阳能电池产品市场成熟的发生时间 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 23 第四章 设想与建议 应密切跟踪国外 GaAs 电池最新技术 研制高效率单结 双结 三结和四结 GaAs 电池 具体设想为 2002 2005 年 批量研制单结 GaAs Ge 电池 批产平均效率达到 19 国内高低轨道卫星的主电源应用单结 GaAs Ge 太阳电池 并积极开拓国外市场 研制三结 GaInP GaAs Ge 太阳电池 最高效率 27 小批量平均效率 23 24 2006 2010 年 改进三结 GaInP GaAs Ge 电池结构设计和工艺技术 最高效率 30 三结 GaInP GaAs Ge 电池批量研制能力达到每年大于 50 kW 批量平均效率 26 三结 GaInP GaAs Ge 太阳电 池逐步应用于国内航天飞行器 并逐步开拓国外市场 研制四结太阳电池 转换效率 32 2011 2015 年 提高三结 GaInP GaAs Ge 太阳电池批量研制能力 每年大于 200 kW 批量平均效率达到 28 29 三结 GaInP GaAs Ge 太阳电池大批量应用于国内外 空间飞行器 提高四结太阳电池性能 转换效率 36 小批量研制平均效率 30 GaAs太阳电池作为新一代高性能长寿命空间主电源 必将逐步取代目前广泛采用的 Si电池 在空间光伏领域占据主导地位 我国航天事业的飞速发展 迫切需要高性能 长 寿命的空间主电源 目前在GaAs电池领域与国外先进水平差距较大 必须加快研制 重点 发展三结以上的高效率GaAs多结太阳电池 非聚光 聚光和薄膜太阳电池 20142014 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 24 参考文献 1 1999 1945 4 2 稀有金属新闻 日 2000 N1990 1 3 席珍强 陈君 杨德仁 太阳能电池发展现状及展望 J 新能源 2000 22 12 100 102 4 沐俊应 徐娟 粱氏秋水 朱宏伟 陈振兴 有机薄膜太阳能电池的研究进展 5 钱敏 光伏走进薄膜时代 半导体国际 12 2008 光伏专刊 6 铃木康生 工业 1998 114 24 7 P Rudolph et al J Crystal Growth 1999 198 199pt 1 325 8 河崎亮久 电子材料 日 1995 7 28 9 s Rwview 1995 8 6 14 10 徐慢 夏冬林 杨晟 赵修建 薄膜太阳能电池 武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实 验室 材料导报2006 20 9 11 K Kohiro et al J Crystal Growth 1996 158 3 197 12 电子工业专用设备出版社 薄膜太阳能电池前景 2009年9月 总第168期 文章编号 1004 4507 2009