砷化镓薄膜电池地发展现状

1、wordCHA1GZHOU IhSTniE OF ENb 'JEERING TEC UKLOGT毕业设计报告论文（2014 届）题目:砷化镓薄膜电池的开展现状所属系:材料系班级:光伏1111学生姓名:丁勇学号:2011104114同组成员：指导教师：肖雪军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，其本钱也低于其他太 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

2、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，砷化傢是制造太阳能电池的理想材料。未来的空间用砷化傢太阳能电池市场将全部由国内企业分享。聚光型砷化傢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：砷化镓介绍与应用现状开展趋势和前景AbstractAlta equipment panies in the United States to use the epitaxial layerstripp ing tech no logy, using gallium arse nide produced the

3、 highest conv ersi on 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 m

4、ade of gallium arsenide solar battery is expected to break the limit of energy efficiency into record. At present the most efficient mercial solar cells manufactured by monocrystalline silic on circle, the highest con versi on efficie ncy of 23%. Gallium arse ni de, although more expe nsive tha n si

5、lic on, the collect ionof phot ons is more efficie nt.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 en terprises. Concen trati ng the ground of the gallium arse nide solar battery application

6、is gradually being a newtrend. In the next few years in our countrythe ground USESgallium arsenide solar battery mayhave a rapid growth process.Keywords : Gallium arsenidelntroduction and application ofThe statusquoDevelopment trends and prospects 目录摘要I第一章绪论113第二章砷化镓材料的介绍与应用 7772.2.1 液圭寸直拉法(Liquid E

7、ncapsulated Czochalski ，简称 LEC)72.2.2 水平布里其曼法(HorizontalBridgmna,简称 HB)8垂直布里其曼法(VerticalBridman,简称VB)82.2.4 垂直梯度凝固法Vertical Gradient Freeze ，简称 VGF 82.2.5 蒸汽压控制直拉法VaporControlCzochralski，简称 VCZ 91111砷化傢光电器件的应用1314第三章砷化镓薄膜电池的现状与开展前景1414141616171718第四章设想与建议19参考文献20致谢23第一章绪论目前，在轨空间用三结砷化傢太阳能电池应用规模超过750K

8、W最近5年三结砷化傢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。国内砷化傢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,砷化傢是继硅之后研究最深入、应用最广泛的半导体材料，由于砷化傢禁带宽 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傢Si 一 GaAs为基体,用直接离子注入自对准平面工艺研制的 砷化傢高速数

9、字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声与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。砷化傢是一种很有开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%,而砷化傢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。砷化傢太阳能电池抗辐射能力强，并且能在比拟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。目前中

10、国的砷化傢材料生产企业主要以 LED用低阻砷化傢晶片为代表的低端市场为 主。利润率较高的微电子用46英寸半绝缘晶片还没有形成产业规模。中国大陆从事砷化傢材料研究与生产的公司主要有：通美晶体技术某某AXT中科晶电信息材料某某、某某晶明电子材料某某公司中电集团 46研究所、中科镓英半导体某某、国瑞 电子材料某某公司、某某中显机械某某、某某远东高科技材料某某、某某佳昌科技某某、 某某神舟晶体科技开展某某（原国营54厂）等九家。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。其在高纯傢、高纯砷、高纯锗 以与氮化硼坩埚等方面

11、均有投资,有效地控制了公司本钱，2009年销售收入8000万美元, 短期内国内其它各公司还难以和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。该公司是目前国内开展速度最快的砷化傢企 业。某某晶明公司成立于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法低阻砷化傢晶体与抛光片，兼顾少量3 一 4英寸半绝缘砷化稼单晶材料。目前拥 有LE

12、C单晶炉4台,VB单晶炉60台，已建成一条完整的单晶生长与抛光片加工生产线 ， 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，目前主要在国内购置 HB或VGF砷化嫁单晶进展抛光片加工，销售对象主要是国内的LED外延企业，月产约2 一 3万片。国瑞公司和某某中显公司主要生产 2 一 2.5英寸HB砷化镓单晶，某某远东公司主要 生产2英寸LEC（或称LEVB砷化傢单晶，这三家公司的产品主要针对LED市场,其单晶质 量、成品率以与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展加工。某某佳昌原主要从事LEC砷化镓单晶生长，曾生

13、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VGFX艺生产LED用低阻砷化傢材料，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。某某神舟公司主要从事LEC和HB砷化傢单晶生长，近期开始进展VGF法砷化傢工艺 研究，目前的市场定位还不是很明确，主要以承当军工科研任务为主。国内砷化镓材料主要生产企业主要企业米用工艺晶体直径所在地区中科晶电信息材料（）某某VGF2/4某某晶明电子材料某某公司（46所）VB/VGF/LEC2/4某某中科惊英半导体某某LEC2/4国瑞电子材料某某公司HB某某中显机械某某HB某某某某远东咼科技材料某某LEC(LEVB)2/

14、3某某某某佳昌科技某某LEC/VGF2/4某某某某神舟晶体科技开展某某HB/LEC2/3某某日本是世界上最大的化合物半导体材料和器件的生产国。日本的砷化傢产量占世界的60%80%对于砷化傢单晶的详细生产情况， 各国都未报道具体数字，但可以诵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年生产砷化傢单晶与外延用的傢使用量，列于表1表1日本生产砷化镓单晶与外延用镓量1、2（单位:t）项目名称1994199519961997199819992000单晶GaAs26342734353945外延GaAs(LED)28362836374147GaAs(

15、LD)合计5672577583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 以与成品率等因素，且按产出率为 80%+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兴旺国家砷化镓单晶的开展也很快，估计日本的产量已占不 到80%有些下降，假如估计为60%-70%如此同时可以推算出全世界的砷化傢产量， 列于表2。文献15报道了日本2000年的傢消费量占世界的67%根据45t傢的消费量推 算，2000年日本的砷化傢单晶产量应为 72t，其他国家按33%：匕例计算应为35.5t，全 世界如此应为108t左右。有文献报道了傢的用途分布状况，以1997年为例

16、，全世界 对傢总需量为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2t6。另外，有文献报道了各国和地区 1994年1999年对傢的需求量，详见表31。表2 世界近几年砷化镓单晶产量单位：t年份1997199819992000日本5672其他按40%十算48全世界其他按40%十算104120其他按30%十算2431全世界其他按30%十算80103表3世界对镓的需求量1单位t国家与地区199419951996199719981999日本93115921

17、13101109美国222540363840欧洲46791011其他456677合计123151145164156167根据表31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，中国生产的现货粗傢达到2300美元/kg。在这种供求失衡的状况下，促使各主要傢生产厂 积极扩产。日

18、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傢萃取设备，产能将由50t/a提高到100t/a ； 日本同和矿业公司供给全球傢需求的约40%该公司也在加强包括粗傢在内的产能；中国各生产厂也在增加产能。据专家预测，目前傢供不应求的局面将于2002年完毕，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%勺速度增长，还预测了到2005年傢的需求量和供求状况，见表516。表4世界GaAs单晶需求量单位：t国家与地区199419951996199719981999日本647863776975美国151727252627欧洲其他

19、合计112表5 世界高纯镓需求变化预测单位：t年份需求量供给能力供求状况2000 年210204-62001 年250235-152002 年290350+602003 年340470+ 1302004 年400500+ 1002005 年460530+70根据以上预测，到2005年，全球镓需求量将达到460t。假如按上面1997年生产砷 化镓单晶所占用镓量占总量 43%勺比例计算，砷化镓单晶用镓量将达到 198t，按1t镓 生产2t砷化傢计，再按80%勺成品率计算，届时其全球的砷化傢需求量将达到 317t o另外，随着GaAs单晶生产的开展，也加大了对高纯 Ga的需求，日本是世界最大的 Ga

20、 消费国，2000年Ga消费量占世界总消费量的67%5，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)45t15。我国的加工和精炼厂应抓住这种机会。第二章砷化镓材料的介绍与应用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，砷化傢材料禁带宽度为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

21、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，广泛用于高频与无线通讯中制作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，砷化傢材料也可以参加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。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，现在比拟成功的工业化生长 工艺主要有LEC液封直拉法、HB水平布里支

22、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。液圭寸直拉法（Liquid Encapsulated Czochalski ，简称 LEC）LEC法是生长非掺半绝缘砷化傢单晶SI GaAs的主要工艺，目前市场上80%勺半 绝缘砷化傢单晶采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN甘埚，以BQ作为液 封剂，在2MPa勺氩气环境下进展砷化傢晶体生长。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。其主要缺点是：化学 剂量比拟难控制、热场的温度梯度达 100K150K/cm晶体的位错密度高达 0

23、.51X 105cm2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砷化傢单 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英寸砷化傢单晶。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)砷化傢单晶(SCGaAs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准确控制晶体 的化学剂量比，温度梯度小从而达到降

24、低位错的目的。HB砷化傢单晶的位错密度比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法砷化傢最大晶体直径为4英寸。目前采用 HB工艺进展砷化傢材料生产的公司己经不多，随着VB和VGFX艺的日渐成熟,HB工艺有 被逐渐取代的趋势。垂直布里其曼法(VerticalBridman,简称VB)VB法是上世纪80年代末开始开展起来的一种晶体生长工艺，将合成好的砷化傢多

25、晶、BQ以与籽晶装入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展熔接，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。垂直梯度凝固法Vertical Gradient Freeze ，简称 VGFVGFX艺与VB工艺的原理和应用领域根本类似。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，由计算机准确控制热场进展缓慢降温，生长界面由熔体下

26、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砷化傢晶片，Freiberger公司在2002年报道了世界上第一颗 采用VGF工艺研制的8英寸砷化傢单晶。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工艺重大改良的方法。 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

27、氛的密封容器，砷化傢 熔液在BQ覆盖下，在密封容器中进展单晶拉制。该法的生长系统，温度梯度小，化学 配比可控性好，晶体外表因无 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，剩余热应力降低半个数量级。此法也是生长用于 GaAsIC的大直径、高质量11GaAs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勺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本钱压力较大。提高工艺重复性、可靠性、提 高生产效率与实现自动控制是未来主要研究方向。从以上各种方法的分析和下面表 6、表7的比

28、照之后，得出的根本结论是：LEC法 仍是生长SI GaAs单晶的主要方法；VB/VGF与VCZ是将来生长砷化傢单晶最优和最有前 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 75mn砷化傢 衬底材料的成熟工艺。表6对各类方法的优缺点作了比拟，表 7列出了各种生长方法更 为详尽的资料。表6 工业上应用的砷化镓生长方法比拟7科学技术特点LECVCZHBVGF/VB低EPD可能性差好很好很好EPD分布均匀性中好好好网格ceil尺寸小大很大很大碳控制很好较难差较差化学计量/EL2控制较好好好/差好/较差晶体长度很好受限制好好晶体直径很好较好受限制好背景杂质低低低低工艺可行性好

29、可能好好投资大很大小小运行费用高很高低低生产效率高较低中低工艺成熟程度高低高较咼表7砷化镓材料各种生长方法比拟8、9生长方法HBVB/VGFLECVCZ温度梯度低低较咼低砷蒸汽压控制良良差良晶体形状D形圆圆圆生长观察能不能能能生长速度慢较慢可可单晶直径/mm76150150150位错密度/cm-21031031051032A/B 坑蚀 /cm-<102<102105<102EL2低高低杂质SiBB、CB、C片均匀性差良可良热应力低极低高极低单晶长度长短短短机械强度高高低高技术成熟度成熟开发成熟开发设备投入低低高高加工损耗高极低低低根据砷化镓材料电子迁移率高的特性，它是开发超高

30、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。在上世纪7080年代，人们纷纷预测并看好砷化傢材料将在超高速计算机的开展中起着重要作用，并投入了相当的人力和财力进展研究。然而，由于一些技术和本钱问题，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CMO,S其工作电压低、功耗较低、速度较快、本钱低，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，随着冷战完毕，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，

31、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、情报处理以与其它一些领域发挥着硅器件不 可替代的作用，这些应用的推广阔大推动了SI GaAs材料的开展。表88、18、1印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、18 191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i !i数字ICMESFETHEMTGaAs/GaAsGaAIAs/GaAs情报处理超咼速计算 机、个人电 脑、A

32、TM 图像处理高集成、低工作电压-i-j:|:i-j:微波器件MESSFETi HEMT模拟 IC i MMIC HBT|LjI:GaAs/GaAs!GaAIAs/GaAsGaAIAs/I nGaA/GaAsIn GaP/GaAs!i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ii:1本钱低、大直径、Vth低且重复i性好:1i霍尔器件GaAs/GaAs民用产业汽车VTR FDD传感 器、位置检测传感器r -1咼灵敏度低本钱、大i直径砷化傢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、

33、节能、响 应快、寿命长，被广泛应用于家电、办公设备、广告牌、交通信号灯与汽车尾灯等。红外发光二极管。用作遥控器、光隔离器、编码器与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与医疗和其它一些工业领域；砷化傢太阳 电池用于卫星通讯等领域。砷化傢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开展。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、19i光电器件材料（工作层/衬底）应用领域1 >用途器件技术 动向1 1材料要求1 :GaAsP/GaAs(红) GaAIAs/ Ga

34、As1 1 :咼亮度红色i可见光LEDIn GaAIP/iii|§i! GaAs(高亮度橙、黄)1:1 1 民用产业111i1家电、DA电子设备显示、广告牌、汽车尾灯、用光源与信号灯111:1:!咼亮度短波长化1:11:1:1低本钱i:大直径|: :!11红外LEDiGaAs/GaAsGaAIAs/ GaAs: :民用产业1:家电、DA电子产业机械、遥控与光辆合i1器、光断路器i高功率 高速化i11低本钱1i大直径|1:半导体激光器!短波长LDi1GaAs/GaAsGaAIAs/ GaAs(780nm)InGaAIP/GaAs(680 630nm)|1光通信产业民用ii1 1光通信交

35、换机、光LAN用发光器件、各高功率种检测设备发光器件集成化CD、MD激光打印高功率CD-Rom DVD-Rom、短波长化DVD-RAM低位错!低本钱| 大直径ii:11太阳电池i1V-GaAs/GaAsii:;能源ii卫星广播、通讯、无人气象观测站r高功率iiI!- i-j-11-第三章砷化镓薄膜电池的现状与开展前景空间用砷化傢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60-7

36、0%。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傢太阳能电池；目前，在轨空间用三结砷化傢太阳能电池 应用规模超过750KW最近5年三结砷化傢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傢材料电

37、池过渡的阶段。国内砷化傢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傢太阳能电池巨大的市场所在。砷化傢太阳能电池开展水平，一定程度上是一个国家空间飞行器电源技术实力的表现，因此各国都投入巨资大 力扶持砷化傢太阳能电池的研发。聚光技术是目前广泛应用于提高三结砷化傢太阳能电池光电转化效率、降低发电本钱的主流技术，其原理是以三结砷化傢太阳能电池芯片高温条件下光电转化效率相对恒 定的特性为根底，利用透镜将太阳光聚焦几百至上千倍后投射到砷化傢太阳能电池芯片 外表，使单位面积的砷化傢太阳能电池芯片产生的光电流等同于自然

38、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平方厘米砷化傢太阳能电池芯片产生 的光电流，根本等于一样时间自然光照条件下 500平方厘米砷化傢太阳能电池芯片产生 的光电流。地面聚光技术的迅猛开展，大大降低了地面用砷化镓太阳能发电系统的单位 本钱，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 芯片本钱为0.8美元/瓦；Emcore公司2008年5月其向韩国供给的500倍聚光太阳 能电池芯片本钱为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 统本钱为3.6美元/瓦。地面聚光砷化镓太阳能电池的投资和发电本钱的降低，使砷化 傢

39、电池在地面进展商业应用成为可能。2003年，澳大利亚建成首个千瓦级的聚光砷化 傢电池商用试验电站；2008年，西班牙建成全球上首个 3兆瓦规模的商用聚光砷化傢 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月在某某某某架设一套50KW的聚光砷化傢太阳能发电系统，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25千瓦的聚光砷化傢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

40、、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给商300KWAlmoguera西班牙2008年9月SolFocus200KWPuertolla no 西班牙2008年7月SolFocusFremont 美国2008年6月SolFocusKailua Ko na美国2007年9月SolFocus17KWPalo Alto 美国2007年4月SolFocus300KWExtremadura 西班牙2008 年12月Emcore50KW某某中国2008年11月Emcore850KWCastilla-La Ma ncha西班牙2008年7月Emc

41、ore同时，Emcore公司和SolFocus公司还有多份实施中的聚光砷化傢太阳能光伏发电 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给商葡萄牙2009年9月2010年完成2MV，2014年完成SolFocus美国21-350MW2009年7月实施中SolFocus希腊10MW2009年3月2010年底前完成SolFocus希腊10MW2008年12月2009年7月开始实施SolFocus西班牙大于1OMW2008年11月实施中SolFocus韩国不超过70MW2008年5月预计2010年5月完成Emcore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

42、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 化傢太阳能电池实际产量均约占全球 50%美国还是MOCV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傢太阳能电池制造 商。在国内航天产业开展需求的带动下， 我国在空间用砷化镓太阳能电池的研发和生产 取得快速开展，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，中国航天科技集团某某空间电源研究所、中国电子科技集团18所是国内具有空间用三结砷化傢太阳能电池芯片生产资质的两

43、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。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傢 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开展的新阶段，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

44、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寸三结砷化傢电池外延片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寸三结砷化傢电池外延片10万片以上。目 前，国内能够生产高效三结砷化傢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给市场。目前整个产 业链主要环节中试

45、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，在某某某某建设大型并网光伏电站试验示X项目，项目总规模166MWV分为产业区和试验区。产业区建设晶硅发电站，试验区建设皿小级6MW聚光砷化傢电池和其它薄膜电池发电站。随着聚光技术、跟踪技术的快速开展，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傢太阳能电池 作为核心部件进展建设，聚光型砷化傢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傢太阳能电池可能会有一个快速增长过程。1空间用砷化镓太阳能电池技术开展趋势未来空间用砷化

46、镓太阳能电池的技术开展， 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。空间飞行器发射本钱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 显著节约发射本钱，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，

47、是未来 空间用砷化镓太阳能电池技术开展的另一主要方面。2地面聚光砷化镓太阳能电池技术开展趋势未来地面聚光砷化镓太阳能电池的技术开展，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 阳能电池的比拟经济优势。地面聚光砷化傢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本钱，提高产品性价比；聚光组 件聚光效率的提高，对降低发电系统每瓦发电本钱具有直接作用；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

48、光能的时间，同样可以降低发电每 瓦发电本钱。这些技术的开展，决定了地面聚光砷化镓太阳能电池比拟经济优势扩 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。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，20022005年：批量研制单结GaAs/Ge电池,批产平均效率达到19%国 内上下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% 20062010年: 改良三结GaI nP/GaAs/Ge电池结构设计和

49、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% 20112015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%GaA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

50、域占据主导地位。我国航天事业的飞速开展，迫切需要高性能、长寿命的空间主电源。目前在GaA电池领域与国外先进水平差距较大，必须加快研制，重点 开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）。参考文献只.1999 , 1945： 42 稀有金属新闻日.2000.N1990:13 席珍强，陈君，杨德仁.太阳能电池开展现状与展望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. 铃木康生工业UTy夕儿.1998 , 114：

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