砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统技术的介绍

　一、砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的基本构想

　　在光伏发电产业中，单晶硅和多晶硅等硅基光伏电池几乎占到全部产量的94%以上。由于近年太阳能级硅材料供不应求，且持续大幅度涨价，在一定程度上制约了硅基光伏电池的发展。因此，如何提高光伏电池的转换效率和降低光伏电池的生产成本，成为目前光伏产业必须研究和解决的核心问题。人们一方面在研究和扩大太阳能级硅材料的生产，另一方面又在研究和推广不用或少用硅材料来生产新的光伏电池。在这样一种背景下，非晶硅、硫化镉、碲化镉及铜铟硒等薄膜电池应运而生，乘势发展。上述光伏电池中，非晶硅电池效率低下，且稳定性有待提高。尽管硫化镉、碲化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池效率高，成本较晶体硅电池低，且易于大规模生产，但是镉有剧毒，会对环境造成严重污染，硒和铟是储量很少的稀有元素，因此大规模发展必将受到材料制约。而砷化镓化合物材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收效率，适合于制造高效电池。此外，还可以通过叠层技术做成多结砷化镓基电池，以进一步提高转换效率。但是，由于砷化镓基材料价格昂贵， 砷化镓薄膜电池目前只在航天等特殊领域应用，离地面应用的商业化运行还有很大距离。

　　为了降低光伏电池的发电成本，可采取的有效途径之一就是研发和应用砷化镓薄膜电池聚光发电系统。在获得同样输出功率情况下，可以大大减少所需的砷化钾薄膜电池面积。相当于用比较便宜的普通金属、玻璃材料做成聚光器和支撑系统，来代替部分昂贵的砷化镓薄膜电池。在这种聚光系统中，如果聚光率超过10倍以上，则系统只能利用直射阳光，因而必须采用跟踪系统相互配合，才能充分发挥效能。在固定温度下，光伏电池效率随聚光率变化的一般趋势是，在低聚光率时，电池效率随聚光率的增加而增加，在高聚光率时，则随聚光率的增加而降低。光伏电池在高聚光大电流下，其工作温度的升高将导致效率的下降，因此，聚光跟踪系统还需要配备有效的散热设备。考虑到系统的整体经济性，可以通过主动制冷方式，在对光伏电池快速散热的同时，充分利用热能生产热水，最终实现实现太阳能光热和光伏的综合利用，以充分发挥整体效能。

　二、砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的组成部件

　　㈠ 电池片

　　1. 砷化镓（GaAs）的发展潜力

　　砷化镓（GaAs）半导体材料与传统的硅材料相比，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，广泛应用于高频及无线通讯中制做IC器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航等领域。砷化镓除在I C产品应用以外，也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，达到所对应的光波波长，制作成光电元件。还可与太阳能结合制备砷化镓太阳能电池。

　　作为通信、微电子以及光电子的基础材料GaAs材料，世界上其晶体生长技术和器件制作技术已较成熟，其应用领域不断扩大。其中，砷化镓在WiMAX和WLAN应用市场上，将有明显增幅，预计到2010年，市场需求近10亿美元，增长23%。在砷化镓太阳能电池上，也有部分要量产的企业。在砷化镓微波元件需求上，可望再倍增，用于蜂窝回程通信的GaAs芯片市场2007年达到了峰期。未来砷化镓发展势必将与Si、GaN以及SiGe一同参与市场竞争。

　　砷化镓集成电路，用半导体砷化镓（GaAs）器件构成的集成电路。构成GaAs集成电路的器件主要有肖特基势垒栅场效应管、高电子迁移率晶体管和异质结双极晶体管。20世纪70年代初，由于高质量的GaAs外延材料和精细光刻工艺的突破，使GaAs集成电路的制作得到突破性进展。同硅材料相比，GaAs材料具备载流子迁移率高、衬底半绝缘以及禁带较宽等特征，因此用它制成的集成电路具有频率高、速度快、抗辐射能力强等优点。它的缺点是材料缺陷较多，集成规模受到限制，成本较高。GaAs集成电路可分为模拟集成电路如单片微波集成电路和数字集成电路两类。前者主要用于雷达、卫星电视广播、微波及毫米波通信等领域，后者主要用于超高速计算机及光纤通信等系统。

　　2. GaAs电池片技术特点

　　市场上的聚光光伏电池系统组件大部分仍采用单晶硅太阳能电池，基于砷化镓基多结太阳能电池的产品在国际市场上刚刚崭露头角，尚未进入国内市场。高效太阳能电池是聚光光伏、光热综合利用系统的核心部件。在500－1000倍的高倍聚光条件下，其芯片和模组制作工艺都与低倍聚光下不同，需要重新设计工艺条件。在适合高倍聚光的光伏电池工艺中应充分借鉴激光器、发光二极管等器件的先进设计方法。采用低成本、高热稳定性的不含金的合金作为III-V聚光光伏电池顶部网格电极材料，通过优化电极结构和制作工艺，在不改变电池外延结构的条件下，开发出500至1000倍聚光下高效多结光伏电池低成本产业化生产工艺，使光电转换效率达到30％，并获得较高的工作稳定性。