砷化镓薄膜电池的发展现状.doc

2014届毕业设计（论文）

毕业设计报告（论文）
(2014届)

题 目： 砷化镓薄膜电池的发展现状
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

- IV `-

摘 要
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，其成本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，砷化镓是制造太阳能电池的理想材料。
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。聚光型砷化镓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 发展趋势和前景
Abstract
Alta equipment companies in the United States to use the epitaxial layer stripping technology, using gallium arsenide produced the highest conversion 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 made of gallium arsenide solar battery is expected to break the limit of energy efficiency into record. At present the most efficient commercial solar cells manufactured by monocrystalline silicon circle, the highest conversion efficiency of 23%. Gallium arsenide, although more expensive than silicon, the collection of photons is more efficient. 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 enterprises. Concentrating the ground of the gallium arsenide solar battery application is gradually becoming a new trend. In the next few years in our country the ground USES gallium arsenide solar battery may have a rapid growth process.
Keywords : Gallium arsenide Introduction and application of The statusquo
Development trends and prospects 目录
摘 要 I
第一章 绪 论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2国内外研究发展现状 1
1.2.1砷化镓材料在国内发展现状 1
1.2.1砷化镓材料在国外发展现状 3
第二章 砷化镓材料的介绍与应用 7
2.1砷化镓材料的性质 7
2.2砷化镓材料的制备工艺 7
2.2.1液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochalski，简称LEC) 7
2.2.2水平布里其曼法(HorizontalBridgmna,简称HB) 8
2.2.3垂直布里其曼法(VerticalBridman,简称VB) 8
2.2.4垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，简称VGF） 9
2.2.5蒸汽压控制直拉法（VaporControlCzochralski，简称VCZ） 9
2.2.6各种生长工艺的对比 9
2.3砷化镓材料的开发与应用 11
2.3.1砷化镓电子器件的开发和利用 11
2.3.2 砷化镓光电器件的应用 13
第三章 砷化镓薄膜电池的现状与发展前景 14
3.1砷化镓薄膜电池的现状 14
3.1.1空间用砷化镓薄膜电池 14
3.1.2地面聚光砷化镓太阳能电池 14
3.1.3国际砷化镓太阳能电池的市场状况 16
3.1.4国内砷化镓太阳能电池的市场状况 16
3.2砷化镓薄膜电池的发展前景 17
3.2.1国内砷化镓太阳能电池市场的发展前景 17
3.2.2砷化镓太阳能电池技术发展前景 18
第四章 设想与建议 19
参考文献 20
致 谢 22

第一章 绪 论
1.1本文的研究背景和意义
目前，在轨空间用三结砷化镓太阳能电池应用规模超过750KW。最近5年三结砷化镓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。国内砷化镓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,砷化镓是继硅之后研究最深入、应用最广泛的半导体材料,由于砷化镓禁带宽度宽、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.以半绝缘砷化镓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镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及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。
砷化镓是一种很有发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%,而砷化镓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。砷化镓太阳能电池抗辐射能力强,并且能在比较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。
1.2国内外研究发展现状
1.2.1砷化镓材料在国内发展现状
目前中国的砷化镓材料生产企业主要以LED用低阻砷化镓晶片为代表的低端市场为主。利润率较高的微电子用4～6英寸半绝缘晶片还没有形成产业规模。中国大陆从事砷化镓材料研究与生产的公司主要有：北京通美晶体技术有限公司（AXT）、中科晶电信息材料（北京）有限公司、天津晶明电子材料有限责任公司（中电集团46研究所）、北京中科镓英半导体有限公司、北京国瑞电子材料有限责任公司、扬州中显机械有限公司、山东远东高科技材料有限公司、大庆佳昌科技有限公司、新乡神舟晶体科技发展有限公司(原国营54厂)等九家。
北京通美是美国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。其在高纯镓、高纯砷、高纯锗以及氮化硼坩埚等方面均有投资,有效地控制了公司成本,2009年销售收入8000万美元,短期内国内其它各公司还难以和北京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。该公司是目前国内发展速度最快的砷化镓企业。
天津晶明公司成立于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
法低阻砷化镓晶体及抛光片,兼顾少量3一4英寸半绝缘砷化稼单晶材料。目前拥有LEC单晶炉4台,VB单晶炉60台,已建成一条完整的单晶生长及抛光片加工生产线,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,目前主要在国内购买HB或VGF砷化嫁单晶进行抛光片加工,销售对象主要是国内的LED外延企业,月产约2一3万片。
北京国瑞公司和扬州中显公司主要生产2一2.5英寸HB砷化镓单晶,山东远东公司主要生产2英寸LEC(或称LEVB)砷化镓单晶,这三家公司的产品主要针对LED市场,其单晶质量、成品率以及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行加工。
大庆佳昌原主要从事LEC砷化镓单晶生长,曾生长出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VGF工艺生产LED用低阻砷化镓材料,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。
新乡神舟公司主要从事LEC和HB砷化镓单晶生长,近期开始进行VGF法砷化镓工艺研究,目前的市场定位还不是很明确,主要以承担军工科研任务为主。
国内砷化镓材料主要生产企业
主要企业
采用工艺
晶体直径
所在地区
中科晶电信息材料(北京)有限公司
天津晶明电子材料有限责任公司(46所)
北京中科惊英半导体有限公司
北京国瑞电子材料有限责任公司
扬州中显机械有限公司
山东远东高科技材料有限公司
大庆佳昌科技有限公司
新乡神舟晶体科技发展有限公司
VGF
VB/VGF/LEC
LEC
HB
HB
LEC(LEVB)
LEC/VGF
HB/LEC
2/4
2/4
2/4
2/2.5
2/2.5
2/3
2/4
2/3
北京
天津
北京
北京
扬州
济宁
大庆
新乡
1.2.1砷化镓材料在国外发展现状
日本是世界上最大的化合物半导体材料和器件的生产国。日本的砷化镓产量占世界的60%～80%。对于砷化镓单晶的详细生产情况，各国都未报道具体数字，但可以通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年生产砷化镓单晶及外延用的镓使用量，列于表1
表1 日本生产砷化镓单晶及外延用镓量[1、2] (单位:t)
项目
名称
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
单晶
外延

合计
GaAs
GaAs(LED)
GaAs(LD)
----
26
28
2.0
56
34
36
2.0
72
27
28
2.0
57
34
36
2.4
72.4
35
37
3.0
75
39
41
3.0
83
45
47
3.3
95.3
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及成品率等因素，且按产出率为80%计算，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发达国家砷化镓单晶的发展也很快，估计日本的产量已占不到80%，有些下降，若估计为60%～70%，则同时可以推算出全世界的砷化镓产量，列于表2。文献[15]报道了日本2000年的镓消费量占世界的67%。根据45t镓的消费量推算，2000年日本的砷化镓单晶产量应为72t，其他国家按33%比例计算应为35.5t，全世界则应为108t左右。有文献[6]报道了镓的用途分布状况，以1997年为例，全世界对镓总需量为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2t[6]。
另外，有文献报道了各国和地区1994年～1999年对镓的需求量，详见表3[1]。
表2 世界近几年砷化镓单晶产量 （单位：t）
年份
1997
1998
1999
2000
日本
其他（按40%计算）
全世界（其他按40%计算）
其他（按30%计算）
全世界（其他按30%计算）
54.4
36.2
90.6
23.3
77.7
56
37.2
93.2
24
80
62.4
41.6
104
16.7
89.1
72
48
120
31
103
表3 世界对镓的需求量[1] （单位t）
国家及地区
1994
1995
1996
1997
1998
1999
日本
美国
欧洲
其他
合计
93
22
4
4
123
115
25
6
5
151
92
40
7
6
145
113
36
9
6
164
101
38
10
7
156
109
40
11
7
167
根据表3[1]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，中国生产的现货粗镓达到2300美元/kg。在这种供求失衡的状况下，促使各主要镓生产厂积极扩产。日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镓萃取设备，产能将由50t/a提高到100t/a；日本同和矿业公司供应全球镓需求的约40%，该公司也在加强包括粗镓在内的产能；中国各生产厂也在增加产能。据专家预测，目前镓供不应求的局面将于2002年结束，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%的速度增长，还预测了到2005年镓的需求量和供求状况，见表5[16]。
表4 世界GaAs单晶需求量 （单位：t）
国家及地区
1994
1995
1996
1997
1998
1999
日本
美国
欧洲
其他
合计
64
15
2.7
2.7
84.4
78
17
4.1
3.4
102.5
63
27
4.8
4.1
98.9
77
25
6.0
4.0
112
69
26
6.8
4.8
106.6
75
27
7.5
4.8
114.3
表5 世界高纯镓需求变化预测 （单位：t）
年份
需求量
供应能力
供求状况
2000年
2001年
2002年
2003年
2004年
2005年
210
250
290
340
400
460
204
235
350
470
500
530
-6
-15
+60
+130
+100
+70
根据以上预测，到2005年，全球镓需求量将达到460t。若按上面1997年生产砷化镓单晶所占用镓量占总量43%的比例计算，砷化镓单晶用镓量将达到198t，按1t镓生产2t砷化镓计，再按80%的成品率计算，届时其全球的砷化镓需求量将达到317t。另外，随着GaAs单晶生产的发展，也加大了对高纯Ga的需求，日本是世界最大的Ga消费国，2000年Ga消费量占世界总消费量的67%[15]，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)4～5t[15]。我国的加工和精炼厂应抓住这种机会。
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第二章 砷化镓材料的介绍与应用
2.1砷化镓材料的性质
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,砷化镓材料禁带宽度为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，广泛用于高频及无线通讯中制作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，砷化镓材料也可以加入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。
2.2砷化镓材料的制备工艺
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，现在比较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。
2.2.1液封直拉法(Liquid Encapsulated Czochalski，简称LEC)
LEC法是生长非掺半绝缘砷化镓单晶（SI GaAs）的主要工艺，目前市场上80%的半绝缘砷化镓单晶采用LEC法生长的。LEC法采用石墨加热器和PBN坩埚，以B2O3作为液封剂，在2MPa的氩气环境下进行砷化镓晶体生长。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:化学剂量比较难控制、热场的温度梯度达100K～150K/cm、晶体的位错密度高达0.5～1×105cm-2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砷化镓单晶生产线,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英寸砷化镓单晶。
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)砷化镓单晶(SC GaAs)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精确控制晶体的化学剂量比,温度梯度小从而达到降低位错的目的。HB砷化镓单晶的位错密度比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法砷化镓最大晶体直径为4英寸。目前采用HB工艺进行砷化镓材料生产的公司己经不多,随着VB和VGF工艺的日渐成熟,HB工艺有被逐渐取代的趋势。
2.2.3垂直布里其曼法(VerticalBridman,简称VB)
VB法是上世纪80年代末开始发展起来的一种晶体生长工艺,将合成好的砷化镓多晶、B2O3以及籽晶装入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行熔接,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。
2.2.4垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，简称VGF）
VGF工艺与VB工艺的原理和应用领域基本类似。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，由计算机精确控制热场进行缓慢降温，生长界面由熔体下端逐渐向上移动，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砷化镓晶片，Freiberger公司在2002年报道了世界上第一颗采用VGF工艺研制的8英寸砷化镓单晶。
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工艺重大改进的方法。它与LEC法不同的是，它在LEC炉内设计了一个内存V族元素气氛的密封容器，砷化镓熔液在B2O3覆盖下，在密封容器中进行单晶拉制。该法的生长系统，温度梯度小，化学配比可控性好，晶体表面因无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，残余热应力降低半个数量级。此法也是生长用于GaAs IC的大直径、高质量[11]GaAs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的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成本压力较大。提高工艺重复性、可靠性、提高生产效率及实现自动控制是未来主要研究方向。
2.2.6各种生长工艺的对比
从以上各种方法的分析和下面表6、表7的对比之后，得出的基本结论是：LEC法仍是生长SI GaAs单晶的主要方法；VB/VGF及VCZ是将来生长砷化镓单晶最佳和最有前途的方法；而HB法仍然是目前制备用于LD和LED器件的标称直径50mm、75mm砷化镓衬底材料的成熟工艺。表6对各类方法的优缺点作了比较，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较[7]
科学技术特点
LEC
VCZ
HB
VGF/VB
低EPD可能性
EPD分布均匀性
网格（ceil）尺寸
碳控制
化学计量/EL2控制
晶体长度
晶体直径
背景杂质
工艺可行性
投资
运行费用
生产效率
工艺成熟程度
差
中
小
很好
较好
很好
很好
低
好
大
高
高
高
好
好
大
较难
好
受限制
较好
低
可能
很大
很高
较低
低
很好
好
很大
差
好/差
好
受限制
低
好
小
低
中
高
很好
好
很大
较差
好/较差
好
好
低
好
小
低
低
较高

表7 砷化镓材料各种生长方法比较[8、9]
生长方法
HB
VB/VGF
LEC
VCZ
温度梯度
砷蒸汽压控制
晶体形状
生长观察
生长速度
单晶直径/mm
位错密度/cm-2
A/B坑蚀/cm-2
EL2
杂质
片均匀性
热应力
单晶长度
机械强度
技术成熟度
设备投入
加工损耗
低
良
D形
能
慢
76
～103
<102
-----
Si
差
低
长
高
成熟
低
高
低
良
圆
不能
较慢
150
～103
<102
低
B
良
极低
短
高
开发
低
极低
较高
差
圆
能
可
150
～105
105
高
B、C
可
高
短
低
成熟
高
低
低
良
圆
能
可
150
～103
<102
低
B、C
良
极低
短
高
开发
高
低
2.3砷化镓材料的开发与应用
2.3.1砷化镓电子器件的开发和利用
根据砷化镓材料电子迁移率高的特性，它是开发超高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70～80年代，人们纷纷预测并看好砷化镓材料将在超高速计算机的发展中起着重要作用，并投入了相当的人力和财力进行研究。然而，由于一些技术和成本问题，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CMOS，其工作电压低、功耗较低、速度较快、成本低，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，随着冷战结束，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，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、情报处理以及其它一些领域发挥着硅器件不可替代的作用，这些应用的推广大大推动了SI GaAs材料的发展。表8[8、18、19]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、19]
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
数字IC（MESFET HEMT）
GaAs/GaAs
GaAIAs/GaAs
情报处理
超高速计算机、个人电脑、[ATM]图像处理
高集成、低工作电压

微波器件（MESSFET HEMT模拟IC MMIC HBT）
GaAs/GaAs
GaAIAs/GaAs
GaAIAs/InGaA/GaAs
InGaP/GaAs
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
成本低、大直径、Vth低且重复性好
霍尔器件
GaAs/GaAs
民用产业
汽车VTR、[FDD]传感器、位置检测传感器
高灵敏度
低成本、大直径

2.3.2 砷化镓光电器件的应用
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、节能、响应快、寿命长，被广泛应用于家电、办公设备、广告牌、交通信号灯及汽车尾灯等。
红外发光二极管。用作遥控器、光隔离器、编码器及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及医疗和其它一些工业领域；砷化镓太阳电池用于卫星通讯等领域。砷化镓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发展。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、19]
光电器件
材料(工作层/衬底)
应用领域
用途
器件技术动向
材料要求
可见光LED
GaAsP/GaAs(红)
GaAIAs/ GaAs
（高亮度红色）
InGaAIP/
GaAs(高亮度橙、黄)
民用产业
家电、DA、电子设备显示、广告牌、汽车尾灯、传真用光源及信号灯
高亮度
短波长化
低成本
大直径
红外LED
GaAs/GaAs
GaAIAs/ GaAs
民用产业
家电、DA、电子产业机械、遥控及光辆合器、光断路器
高功率
高速化
低成本
大直径
半导体激光器
短波长LD
GaAs/GaAs
GaAIAs/ GaAs(780nm)
InGaAIP/GaAs(680～630nm)
光通信产业
民用
光通信交换机、光[LAN]用发光器件、各种检测设备发光器件CD、MD、激光打印CD-Rom DVD-Rom、DVD-RAM
高功率
集成化
高功率
短波长化
低位错
低成本
大直径
太阳电池
GaAs/GaAs
能源
卫星广播、通讯、无人气象观测站
高功率

第三章 砷化镓薄膜电池的现状与发展前景
3.1砷化镓薄膜电池的现状
3.1.1空间用砷化镓薄膜电池
空间用砷化镓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60-70%。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镓太阳能电池；目前，在轨空间用三结砷化镓太阳能电池应用规模超过750KW。最近5年三结砷化镓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。国内砷化镓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镓太阳能电池巨大的市场所在。砷化镓太阳能电池发展水平，一定程度上是一个国家空间飞行器电源技术实力的体现，因此各国都投入巨资大力扶持砷化镓太阳能电池的研发。
3.1.2地面聚光砷化镓太阳能电池
聚光技术是目前广泛应用于提高三结砷化镓太阳能电池光电转化效率、降低发电成本的主流技术，其原理是以三结砷化镓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基础，利用透镜将太阳光聚焦几百至上千倍后投射到砷化镓太阳能电池芯片表面，使单位面积的砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流等同于自然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 平方厘米砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流，基本等于相同时间自然光照条件下500 平方厘米砷化镓太阳能电池芯片产生的光电流。 地面聚光技术的迅猛发展，大大降低了地面用砷化镓太阳能发电系统的单位成本，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成本为0.8 美元/瓦；Emcore 公司2008 年5 月其向韩国供应的500 倍聚光太阳能电池芯片成本为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成本为3.6 美元/瓦。 地面聚光砷化镓太阳能电池的投资和发电成本的降低，使砷化镓电池在地面进行商业应用成为可能。2003 年，澳大利亚建成首个千瓦级的聚光砷化镓电池商用试验电站；2008 年，西班牙建成全球上首个3 兆瓦规模的商用聚光砷化镓电池发电系统，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 月在河北廊坊架设一套50KW 的聚光砷化镓太阳能发电系统，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 千瓦的聚光砷化镓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、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
供应商
300KW
200KW
7.6KW
2.5KW
17KW
300KW
50KW
850KW
Almoguera 西班牙
Puertollano 西班牙
Fremont 美国
Kailua Kona 美国
Palo Alto 美国
Extremadura 西班牙
廊坊 中国
Castilla-La Mancha 西班牙
2008 年9 月
2008 年7 月
2008 年6 月
2007 年9 月
2007 年4 月
2008 年12 月
2008 年11 月
2008 年7 月
SolFocus
SolFocus
SolFocus
SolFocus
SolFocus
Emcore
Emcore
Emcore
同时，Emcore 公司和SolFocus 公司还有多份实施中的聚光砷化镓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
供应商
葡萄牙
美国
希腊
希腊
西班牙
韩国
8.5MW
21-350MW
10MW
10MW
大于1OMW
不超过70MW
2009年9月
2009年7月
2009年3月
2008年12月
2008年11月
2008年5月
2010年完成2MW，2014 年完成
实施中
2010年底前完成
2009 年7 月开始实施
实施中
预计2010 年5 月完成
SolFocus
SolFocus
SolFocus
SolFocus
SolFocus
Emcore
3.1.3国际砷化镓太阳能电池的市场状况
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镓太阳能电池实际产量均约占全球50%。美国还是MOCVD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镓太阳能电池制造商。
3.1.4国内砷化镓太阳能电池的市场状况
在国内航天产业发展需求的带动下，我国在空间用砷化镓太阳能电池的研发和生产取得快速发展，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，中国航天科技集团上海空间电源研究所、中国电子科技集团18所是国内具有空间用三结砷化镓太阳能电池芯片生产资质的两家机构。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。
3.2砷化镓薄膜电池的发展前景
3.2.1国内砷化镓太阳能电池市场的发展前景
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镓电池过渡的时期，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