砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的介紹

　一、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想

　　在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產(chǎn)量的94%以上。由于近年太陽(yáng)能級(jí)硅材料供不應(yīng)求，且持續(xù)大幅度漲價(jià)，在一定程度上制約了硅基光伏電池的發(fā)展。因此，如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光伏電池的生產(chǎn)成本，成為目前光伏產(chǎn)業(yè)必須研究和解決的核心問(wèn)題。人們一方面在研究和擴(kuò)大太陽(yáng)能級(jí)硅材料的生產(chǎn)，另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料來(lái)生產(chǎn)新的光伏電池。在這樣一種背景下，非晶硅、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒等薄膜電池應(yīng)運(yùn)而生，乘勢(shì)發(fā)展。上述光伏電池中，非晶硅電池效率低下，且穩(wěn)定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，硒和銦是儲(chǔ)量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過(guò)疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基電池，以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于砷化鎵基材料價(jià)格昂貴， 砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運(yùn)行還有很大距離。

　　為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出功率情況下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來(lái)代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚光率超過(guò)10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽(yáng)光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分發(fā)揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢(shì)是，在低聚光率時(shí)，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時(shí)，則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的散熱設(shè)備?？紤]到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性，可以通過(guò)主動(dòng)制冷方式，在對(duì)光伏電池快速散熱的同時(shí)，充分利用熱能生產(chǎn)熱水，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。

　二、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件

　?、?電池片

　　1. 砷化鎵（GaAs）的發(fā)展?jié)摿?/p>

　　砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無(wú)線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在I C產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)，制作成光電元件。還可與太陽(yáng)能結(jié)合制備砷化鎵太陽(yáng)能電池。

　　作為通信、微電子以及光電子的基礎(chǔ)材料GaAs材料，世界上其晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制作技術(shù)已較成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應(yīng)用市場(chǎng)上，將有明顯增幅，預(yù)計(jì)到2010年，市場(chǎng)需求近10億美元，增長(zhǎng)23%。在砷化鎵太陽(yáng)能電池上，也有部分要量產(chǎn)的企業(yè)。在砷化鎵微波元件需求上，可望再倍增，用于蜂窩回程通信的GaAs芯片市場(chǎng)2007年達(dá)到了峰期。未來(lái)砷化鎵發(fā)展勢(shì)必將與Si、GaN以及SiGe一同參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　砷化鎵集成電路，用半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）器件構(gòu)成的集成電路。構(gòu)成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。20世紀(jì)70年代初，由于高質(zhì)量的GaAs外延材料和精細(xì)光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的制作得到突破性進(jìn)展。同硅材料相比，GaAs材料具備載流子遷移率高、襯底半絕緣以及禁帶較寬等特征，因此用它制成的集成電路具有頻率高、速度快、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是材料缺陷較多，集成規(guī)模受到限制，成本較高。GaAs集成電路可分為模擬集成電路如單片微波集成電路和數(shù)字集成電路兩類(lèi)。前者主要用于雷達(dá)、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信等領(lǐng)域，后者主要用于超高速計(jì)算機(jī)及光纖通信等系統(tǒng)。

　　2. GaAs電池片技術(shù)特點(diǎn)

　　市場(chǎng)上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽(yáng)能電池，基于砷化鎵基多結(jié)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上剛剛嶄露頭角，尚未進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。高效太陽(yáng)能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件。在500－1000倍的高倍聚光條件下，其芯片和模組制作工藝都與低倍聚光下不同，需要重新設(shè)計(jì)工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器、發(fā)光二極管等器件的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。采用低成本、高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網(wǎng)格電極材料，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝，在不改變電池外延結(jié)構(gòu)的條件下，開(kāi)發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30％，并獲得較高的工作穩(wěn)定性。