砷化镓太阳电池(终稿)

砷化镓太阳能电池

摘 要
本文主要对砷化镓太阳电 池的结构、性能、研制及生产情况作了简单介绍,
分析了GaAs太阳电池的发展方向,最后根据GaA s太阳电池的研制进展和空间试用
情况,提出了发展GaAs太阳电池的设想。
关键词
:
砷化镓太阳能电池; 技术; 进展
引言
：
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< br>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。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。
1．砷化镓简介
砷化镓是一种 重要的半导体材料，属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，化学式GaAs，
分子量144.63，属闪锌矿型晶格 结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，
禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964 年进入实用阶段，砷化镓可以制成电阻率
比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电 路衬底、红外探
测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件
和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、
低温性能好、噪声小、 抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──
体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多 方面优点的材料,但用它制作的晶体

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三极管的放大倍 数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越
的性能，但由于它在高温下分解，故要生 长理想化学配比的高纯的单晶材料，技
术上要求比较高.
2.发展历程

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
（Hughes ResearchLab）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
[1]
。
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。
3.制备方法 < br>与硅相仿，砷化镓材料也可分为体单晶和外延材料两类。体单晶可以用作外
延的衬底材料，也可以 采用离子注入掺杂工艺直接制造集成电路（采用高质量、
大截面、半绝缘砷化镓单晶）。重点是液封直拉 法（即液封乔赫拉斯基法，简称
LEC法）,但水平舟生长法（即水平布里其曼法）因制出的单晶质量和 均匀性较
好，仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发展是在高压单晶炉内用热解氮
化硼 (PBN)坩埚和干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、半绝缘砷化镓单
晶。另外，常压下用石英 坩埚和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。不论
水平舟生长法或是液封直拉法，晶体的直径均可达 到100～150毫米而与硅单晶
相仿。

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砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外延，所得外延层在纯度和晶体
完整性方面均优 于体单晶材料。通用的汽相外延工艺为GaAsCl3H2法,这种方
法的变通工艺有GaHClAsH 3H2和GaAsCl3N2法。为了改进GaAsCl3H2体
系气相外延层的质量，还研究出低温和 低温低压下的外延生长工艺。液相外延工
艺是用 GaGaAs熔池覆盖衬底表面,然后通过降温以生长 外延层,也可采用温度
梯度生长法或施加直流电的电外延法。在器件(特别是微波器件)的制造方面,汽
相外延的应用比液相外延广泛。液相外延可用来制造异质结(如
GaAsAlxGa1-xAs )，因此它是制造砷化镓双异质结激光器和太阳电池等的重要手
段。
砷化镓外延技术还 有分子束外延和金属有机化合物汽相沉积外延。分子束外
延是在超高真空条件下，使一个或多个热分子束 与晶体表面相作用而生长出外延
层的方法。对入射分子或原子束流施加严格的控制，可以生长出超晶格结 构，例
如由交替的GaAs和AlxGaAs薄层（厚度仅10埃）所组成的结构。金属有机
化 合物汽相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与砷烷相作用而生长外延层。用这
种方法也能适当地控制外延 层的浓度、厚度和结构。与分子束外延相比，金属有
机化合物汽相沉积外延设备和工艺均较简单，但分子 束外延层的质量较高
[2]
。
4.砷化镓中的杂质
在晶体生长过程中，会 有意或无意地引入杂质。一般情况下，引入的杂质都
是具有电活性的，但是有一些引进的污染会在晶体中 形成空位，从而不具有电活
性。规定掺入的杂质在半导体中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子 是
比其替代的原子多一个或一个以上的电子，这些多出的电子在晶体中可以自由移
动从而形成电 流；相反，受主原子是比其替代的原子少一个或一个以上的电子，
因此，受主原子可以捕获晶体中的自由 移动的电子。不管是在半导体中掺人哪一
种类型的杂质，都会导致半导体材料电学性能的改变。
两种类型的杂质，即不管是浅能级杂质还是深能级杂质，通过与砷原子或镓
原子的复杂结合而 存在于砷化镓晶体中。硅就是目前得到最广泛研究的一种掺杂
剂，这种四族元素，在低温下与砷化镓作用 ，可形成P型材料，在高温下与砷化
镓作用，可形成n型材料。铬在砷化镓中是深受主原子，它的杂质能 级接近禁带
中心位置，利用这一特点，可以在浅n型砷化镓材料中通过掺铬进行补偿而得到

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半绝缘材料。其它的元素，如铜、氧、硒、碲、锡等在砷化镓中 的行为也得到了
广泛的研究，这样，我们可根据器件设计的需求进行掺杂得到n型或P型砷化镓。
5.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MOV PE等。
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。
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vit
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AsGa比、金属< br>有机物和AsH3的纯度等诸多参数的影响
[3]
。
6.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GaAsGaAs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GaAsGe电池进入量产（用于航天）， 量

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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GaAsGa As电
池。
[4]

7.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A zurSpace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。
8.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（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。

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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pn结，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。
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< br>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，我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。
第四是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。

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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。
9.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。

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