砷化镓太阳能光伏电池发展现状分析.doc

砷化镓太阳能光伏电池发展现状分析一、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较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1.21.6eV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46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。Cpv顺口溜：理论上有价值，实际上要证实，整合的若踏实，才能换来一声“值”。 所谓III-V族化合物半导体，是指元素周期表中的III族与V族元素相结合生成的化合物半导体，主要包括镓化砷（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓等。此类材料具有闪锌矿结构(Zincblende)结构。键结方式以共价键为主。由于五价原子比三价原子具有更高的阴电性，因此有少许离子键成份。正因为如此，III-V族材料置于电场中，晶格容易被极化，离子位移有助于介电系数的增加，若电场频率在红外线范围。GaAs材料的n型半导体中，电子移动率(mn8500)远大于Si的电子移动率(mn1450)，因此运动速度快，在高速数字集成电路上的应用，比Si半导体优越。但是，由于GaAs材料的集成电路制程极为复杂，成本也较昂贵，且成品的不良率高，单晶缺陷比Si多。因此GaAs要如同Si半导体普及应用，仍有待研发技术的努力。但另一方面，其优点是具备能够发出激光等目前硅所没有的特性。HCPV将创造历史新奇迹 光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池目前产业化进程，正逐渐转向高效的HCPV系统发电（第三代聚光太阳能）。第三代高聚光型（HCPV）太阳能发电模组和发电系统的是近年来国际太阳能光伏发电技术的新热点，同晶硅技术和薄膜技术相比，HCPV在100KW以上发电系统中具有明显的优势，如果综合考虑年发电成本和碳痕迹等因素，则HCPV拥有绝对优势。 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（HCPV系统转换效率可达25，远高于目前晶硅电池17左右的转换效率）等优点。同时，该系统更加节能环保，它的一大技术特性是，聚光倍数越大所需的光伏电池面积越小。对高达几百倍的HCPV系统来说，硬币大小的转换电池就可转换碗口面积的光能。 在节省半导体材料用量的同时，降低了太阳能发电系统的生产成本和能耗，使CPV具有更短的能量回收期。随着HCPV技术的更加成熟以及生产规模的进一步扩大，普遍预计，今年内即可实现较低的平准化电力成本低于晶硅和薄膜电池。此次高聚光太阳能产业的技术发展中国是与世界同步的，在某些方面甚至已经领先了。“这方面的技术其实早已成熟，这方面中国制造有优势”。而公司下属的子公司是国内HCPV的龙头企业！高聚光太阳能（HCPV）聚光（CPV）太阳能技术是通过聚光的方式把一定面积上的太阳光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减太阳能电池的用量。 第三代高聚光型（HCPV）太阳能发电模组和发电系统的是近年来国际太阳能光伏发电技术的新热点，同晶硅技术和薄膜技术相比，HCPV在100KW以上发电系统中具有明显的优势，如果综合考虑年发电成本和碳痕迹等因素，则HCPV拥有绝对优势。目前第三代HCPV（高聚光）已将聚光倍数提高至500倍。Cpv的优势： CPV系统具有转换率优势和耐高温性能。硅电池的理论转换效率大概为23%，单结的砷化镓电池理论转换效率可达27%，CPV采用的多结的IIIV族电池对光谱进行了更全面的吸收，其理论转换率可超过50%。即使考虑到聚光和追踪所产生的误差损失，目前的CPV系统转换效率可达25%，高于目前市售晶硅电池17%左右的转换效率。同时，砷化镓系电池的高温衰减性能强于硅系电池，更适合应用于日照强烈的荒漠地区。 同时，CPV系统的生产过程更加节能环保。聚光倍数越大，所需的光伏电池面积越小，对高达几百倍的HCPV系统来说，硬币大小的转换电池就可转换碗口面积的光能