砷化鎵(GaAs)材料在無線通信、光傳輸、消費電子(如3D人臉識別)和太陽能電池等領域獲得廣泛應用。前幾期已經介紹過砷化鎵在射頻領域的相關情況,本期1°姐將為大家繼續介紹GaAs太陽能電池產業鏈的具體情況。
太陽能電池的簡述
太陽能電池是利用光伏效應將太陽能通過半導體物質轉變為直流電能的一種器件(光能轉化為電能)。以商業化的太陽能電池主要有晶體硅太陽能電池(包括單晶硅和多晶硅兩種)、半導體化合物太陽能電池(以砷化鎵太陽能電池為主)兩大類。
這兩大類太陽能電池中,晶體硅太陽能電池廣泛應用于發電領域,目前占據絕大部分的市場份額;而砷化鎵太陽能電池是新能源、新材料的典型代表之一。雖然光電轉換效率高于前兩者,目前國際上已實現的最高光電轉換率達46%;但砷化鎵技術難度和成本也都更大,難以滿足大規模的生產需求。因此砷化鎵目前的主要應用集中在空間飛行器電源和其他高端用途,在地面發電系統中逐步有少量的應用。
太陽能電池產業鏈
太陽能電池產業鏈一般包括電池原材料、太陽能電池外延片、太陽能電池芯片、太陽能電池組件和太陽能電站5個主要環節。
砷化鎵太陽能電池主要特點
砷化鎵較硅質在物理性質上要更脆,這一點使得其加工時比容易碎裂,所以,常把其制成薄膜,并使用襯底(常為Ge[鍺]),來對抗其在這一方面的不利,但是也增加了技術的復雜度。
相對于其他類型太陽能電池,砷化鎵太陽能電池的工藝較為復雜,尤其是多結砷化鎵電池,三結砷化鎵太陽能電池有三個P-N結,一般需要生長近30層外延,外延結構的設計、每一層外延生長質量都直接影響整個砷化鎵太陽能電池的性能。因而,砷化鎵太陽能電池行業具有一定的技術壁壘。下圖為砷化鎵太陽能電池的優缺點對比一覽表。
砷化鎵太陽能電池主要應用及市場情況
從具體的應用角度來看,由于GaAs太陽能電池制備成本較高,因此目前主要還是應用在宇宙空間探測利用(主要做太陽能電池帆板)等方面,在地面使用較少(主要做高溫聚光太陽能電池)。
聚光光伏電站(CPV)是地面用砷化鎵太陽能電池的主要應用領域。聚光光伏發電是指采用聚光的方式把一定面積上的太陽光通過聚光系統會聚在一個狹小的區域,匯聚后的太陽光通過太陽能電池,利用半導體材料的光伏效應直接轉換為電能。如果聚光倍數在幾倍至幾十倍,成為低倍聚光,如果聚光倍數超過一百倍,通常稱為高倍聚光。砷化鎵可以承受1000倍光強,是目前聚光光伏的常用材料。
隨著技術和成本降低,聚光光伏電站裝機量呈現加速發展態勢。根據HIS統計,2015年全球CPV累計裝機量為254MV,預計2020年有望達到1362MW, CAGR為39.91%,顯著高于光伏電站整體增速。下圖為2015年全球CPV累計裝機市場情況分布。
目前美國是實現砷化鎵薄膜太陽能電池光電轉換效率最高的國家,也是最大生產基地,其空間和地面聚光用砷化鎵太陽能電池的實際產量約占全球50%,技術上處于全球領先地位,Emcore公司和SpectroLab公司(波音公司下屬的光伏實驗室)是全球最主要的砷化鎵薄膜太陽能電池制造商。
現階段我國的砷化鎵太陽能電池的應用領域也仍以空間應用為主,我國發射的衛星上使用的太陽能電池完全由自己生產。在國內航天產業發展需求的帶動下,我國在空間用砷化鎵太陽能電池的研發和生產取得快速發展,空間用三結砷化鎵太陽能電池的光電轉換效率已經接近國際先進水平。
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原文標題:細說GaAs太陽能電池產業鏈
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