突破不可能！NREL實(shí)現(xiàn)低成本砷化鎵電池

:砷化鎵GaAs電池一直被認(rèn)為效率最高的光伏電池。然而，由于其高昂的制造成本，砷化鎵電池只配航天空間站擁有，地面光伏電站從未奢想過(guò)。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏測(cè)試網(wǎng)”）

然而，這個(gè)宿命，似乎正在被NREL的科學(xué)家打破。根據(jù)TestPV對(duì)光伏電池前沿技術(shù)的關(guān)注發(fā)現(xiàn)，NREL的科學(xué)家最近成功地用一種從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的方法，制造出低成本的砷化鎵材料，有望大幅降低其成本，最終實(shí)現(xiàn)在地面光伏電站的應(yīng)用。

III-V族的平民夢(mèng)想

砷化鎵，由于其在元素周期表上的位置而得名為III-V太陽(yáng)能電池，其超高的光電轉(zhuǎn)化效率讓它在空間應(yīng)用中常用。但對(duì)地面電站來(lái)說(shuō)這些元素實(shí)在太貴，是太昂貴。一直以來(lái)，研究人員都在致力如何開(kāi)發(fā)能降低成本的技術(shù)。

降低砷化鎵電池的成本，無(wú)非兩種途徑：

1. 通過(guò)新工藝降低砷化鎵電池的制作成本；

2. 通過(guò)新材料提高砷化鎵電池的發(fā)電效率；

由于在砷化鎵中引入鋁Al、磷P等元素生長(zhǎng)出AlGaAs、AlInP和AlGaInP，可以提高砷化鎵電池的發(fā)電效率，科學(xué)家希望這些元素是降低砷化鎵電池成本的好辦法。

生長(zhǎng)砷化鎵等III-V族元素的方法一直以來(lái)有HVPE（氫化物氣相外延）和MOVPE（金屬有機(jī)氣相外延）兩種方法。這兩種工藝都涉及到將化學(xué)蒸汽沉積到基底上，但MOVPE的優(yōu)勢(shì)在于它能夠在兩種不同的半導(dǎo)體材料之間形成突變的異質(zhì)界面，而這正是HVPE傳統(tǒng)上所面臨的難題。

因此，盡管傳統(tǒng)的HVPE幾十年來(lái)一直被認(rèn)為是電信業(yè)生產(chǎn)發(fā)光二極管和光電探測(cè)器的最佳技術(shù)，隨著MOVPE的出現(xiàn)，它在20世紀(jì)80年代失去了人們的青睞。

而且，NREL材料應(yīng)用和性能中心的科學(xué)家表示：“有大量的文獻(xiàn)表明，人們永遠(yuǎn)無(wú)法用HVPE方法生長(zhǎng)出AlGaAs、AlInP和AlGaInP這些化合物?！?/p>

但使用MOVPE引入鋁Al，生長(zhǎng)緩慢，制造成本居高不下。

創(chuàng)新改變了一切

一篇“通過(guò)氫化物氣相外延生長(zhǎng)AlGaAs、AlInP和AlGaInP” 的文章發(fā)表在ACS應(yīng)用能源材料雜志上。

NREL首創(chuàng)了一種稱為動(dòng)態(tài)氫化物氣相外延（D-HVPE）的新生長(zhǎng)技術(shù)。成功地生產(chǎn)出AlGaAs、AlInP和AlGaInP。

早期的HVPE使用一個(gè)單獨(dú)的腔室，將其中一種化學(xué)物質(zhì)沉積在基底上，D-HVPE依賴于多室反應(yīng)堆。基板在兩個(gè)腔室之間來(lái)回移動(dòng)，大大縮短了制作太陽(yáng)能電池的時(shí)間。使用MOVPE制作單結(jié)太陽(yáng)能電池需要一兩個(gè)小時(shí)，而D-HVPE可以在一分鐘內(nèi)完成。

時(shí)間就是效率，一分鐘完成相對(duì)于一兩個(gè)小時(shí)，那是天壤之別，將帶來(lái)工藝成本的大幅下降，讓砷化鎵電池成本的平民化看到了希望的曙光。

生產(chǎn)效率≠發(fā)電效率

盡管取得了工藝生產(chǎn)效率的進(jìn)展，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，使用D-HVPE生產(chǎn)的含鋁砷化鎵電池，發(fā)電效率卻不高，這在很大程度上影響了研究的價(jià)值。

因?yàn)镸OVPE仍然擁有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：能夠沉積寬帶隙含鋁材料，從而實(shí)現(xiàn)最高的太陽(yáng)能電池效率。MOVPE生長(zhǎng)的GaAs太陽(yáng)能電池目前的世界效率記錄是29.1%。

利用D-HVPE，NREL的科學(xué)家們能夠用砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaInP）制造太陽(yáng)能電池。在這些電池中，GaInP被用作“窗口層”，它使前表面鈍化，并允許陽(yáng)光照射到GaAs吸收層下面的光子轉(zhuǎn)化為電能。作為窗口層，GaInP必須盡可能透明，以便更多的陽(yáng)光透射到下面的吸收層。

但GaInP不如MOVPE工藝太陽(yáng)能電池中使用的磷化銦鋁（AlInP）透明。只有GaInP，HVPE生長(zhǎng)的太陽(yáng)能電池的最大效率估計(jì)僅為27%。

但由于通常的含鋁前載體：一氯化鋁的化學(xué)性質(zhì)問(wèn)題，HVPE工藝連實(shí)現(xiàn)這些材料的生長(zhǎng)都有困難。如何用D-HVPE生長(zhǎng)出需要的透明磷化銦鋁（AlInP）呢？

研究人員一直計(jì)劃在D-HVPE中引入鋁，但首先集中精力驗(yàn)證生長(zhǎng)技術(shù)?？茖W(xué)家終于找到一種方法來(lái)生產(chǎn)一種獨(dú)特的含鋁分子，然后可以流入D-HVPE室。

使用三氯化鋁發(fā)生器，加熱到400攝氏度，從固體鋁和氯化氫氣體中生成三氯化鋁。三氯化鋁在高壓聚乙烯（HVPE）反應(yīng)器中比一氯化鋁更穩(wěn)定。其他組分 - 氯化鎵和氯化銦 - 在800攝氏度下蒸發(fā)。這三種元素結(jié)合在一起，在650攝氏度的溫度下沉積在基底上。

這樣，科學(xué)家們成功地將鋁源集成到他們的氫化物氣相外延反應(yīng)器中，并首次用這種技術(shù)展示了半導(dǎo)體磷化鋁銦（AlInP）和磷化鋁鎵銦（AlGaInP）的生長(zhǎng)。

科學(xué)家們認(rèn)為，現(xiàn)在他們應(yīng)該能夠達(dá)到與通過(guò)MOVPE制造的太陽(yáng)能電池同等的效率水平。

前景展望

NREL國(guó)家光伏中心的資深科學(xué)家表示：“相對(duì)于MOVPE，HVPE工藝是一種更便宜的工藝，D-HVPE也一樣”。

除了工藝過(guò)程更便宜，生產(chǎn)效率也從1-2小時(shí)減少為1分鐘，以前，盡管新工藝電池效率不高，但價(jià)格便宜。

如今，突破了引入鋁元素的瓶頸后，發(fā)電效率也能和MOVPE工藝的砷化鎵電池一致。

一旦實(shí)現(xiàn)了工藝成本、發(fā)電效率、生產(chǎn)率的突破，原本只有空間站才能用得起的砷化鎵電池就有望實(shí)現(xiàn)在地面電站應(yīng)用的突破，對(duì)于光伏行業(yè)又將是一場(chǎng)新的革命。

十年后顛覆晶硅？砷化鎵+鈣鈦礦=異質(zhì)結(jié)。目前研究人員仍在試圖逐步推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。