突破不可能!NREL實現低成本砷化鎵電池

2020-12-01 北極星太陽能光伏網

北極星太陽能光伏網訊:砷化鎵GaAs電池一直被認為效率最高的光伏電池。然而，由於其高昂的製造成本，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。

（來源：微信公眾號「光伏測試網」）

然而，這個宿命，似乎正在被NREL的科學家打破。根據TestPV對光伏電池前沿技術的關注發現，NREL的科學家最近成功地用一種從未實現過的方法，製造出低成本的砷化鎵材料，有望大幅降低其成本，最終實現在地面光伏電站的應用。

III-V族的平民夢想

砷化鎵，由於其在元素周期表上的位置而得名為III-V太陽能電池，其超高的光電轉化效率讓它在空間應用中常用。但對地面電站來說這些元素實在太貴，是太昂貴。一直以來，研究人員都在致力如何開發能降低成本的技術。

降低砷化鎵電池的成本，無非兩種途徑：

1. 通過新工藝降低砷化鎵電池的製作成本；

2. 通過新材料提高砷化鎵電池的發電效率；

由於在砷化鎵中引入鋁Al、磷P等元素生長出AlGaAs、AlInP和AlGaInP，可以提高砷化鎵電池的發電效率，科學家希望這些元素是降低砷化鎵電池成本的好辦法。

生長砷化鎵等III-V族元素的方法一直以來有HVPE（氫化物氣相外延）和MOVPE（金屬有機氣相外延）兩種方法。這兩種工藝都涉及到將化學蒸汽沉積到基底上，但MOVPE的優勢在於它能夠在兩種不同的半導體材料之間形成突變的異質界面，而這正是HVPE傳統上所面臨的難題。

因此，儘管傳統的HVPE幾十年來一直被認為是電信業生產發光二極體和光電探測器的最佳技術，隨著MOVPE的出現，它在20世紀80年代失去了人們的青睞。

而且，NREL材料應用和性能中心的科學家表示：「有大量的文獻表明，人們永遠無法用HVPE方法生長出AlGaAs、AlInP和AlGaInP這些化合物。」

但使用MOVPE引入鋁Al，生長緩慢，製造成本居高不下。

創新改變了一切

一篇「通過氫化物氣相外延生長AlGaAs、AlInP和AlGaInP」 的文章發表在ACS應用能源材料雜誌上。

NREL首創了一種稱為動態氫化物氣相外延（D-HVPE）的新生長技術。成功地生產出AlGaAs、AlInP和AlGaInP。

早期的HVPE使用一個單獨的腔室，將其中一種化學物質沉積在基底上，D-HVPE依賴於多室反應堆。基板在兩個腔室之間來回移動，大大縮短了製作太陽能電池的時間。使用MOVPE製作單結太陽能電池需要一兩個小時，而D-HVPE可以在一分鐘內完成。

時間就是效率，一分鐘完成相對於一兩個小時，那是天壤之別，將帶來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。

生產效率≠發電效率

儘管取得了工藝生產效率的進展，但科學家發現，使用D-HVPE生產的含鋁砷化鎵電池，發電效率卻不高，這在很大程度上影響了研究的價值。

因為MOVPE仍然擁有另一個優勢：能夠沉積寬帶隙含鋁材料，從而實現最高的太陽能電池效率。MOVPE生長的GaAs太陽能電池目前的世界效率記錄是29.1%。

利用D-HVPE，NREL的科學家們能夠用砷化鎵（GaAs）和磷化鎵（GaInP）製造太陽能電池。在這些電池中，GaInP被用作「窗口層」，它使前表面鈍化，並允許陽光照射到GaAs吸收層下面的光子轉化為電能。作為窗口層，GaInP必須儘可能透明，以便更多的陽光透射到下面的吸收層。

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

但由於通常的含鋁前載體：一氯化鋁的化學性質問題，HVPE工藝連實現這些材料的生長都有困難。如何用D-HVPE生長出需要的透明磷化銦鋁（AlInP）呢？

研究人員一直計劃在D-HVPE中引入鋁，但首先集中精力驗證生長技術。科學家終於找到一種方法來生產一種獨特的含鋁分子，然後可以流入D-HVPE室。

使用三氯化鋁發生器，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）反應器中比一氯化鋁更穩定。其他組分 - 氯化鎵和氯化銦 - 在800攝氏度下蒸發。這三種元素結合在一起，在650攝氏度的溫度下沉積在基底上。

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

科學家們認為，現在他們應該能夠達到與通過MOVPE製造的太陽能電池同等的效率水平。

前景展望

NREL國家光伏中心的資深科學家表示：「相對於MOVPE，HVPE工藝是一種更便宜的工藝，D-HVPE也一樣」。

除了工藝過程更便宜，生產效率也從1-2小時減少為1分鐘，以前，儘管新工藝電池效率不高，但價格便宜。

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

一旦實現了工藝成本、發電效率、生產率的突破，原本只有空間站才能用得起的砷化鎵電池就有望實現在地面電站應用的突破，對於光伏行業又將是一場新的革命。

十年後顛覆晶矽？砷化鎵+鈣鈦礦=異質結。目前研究人員仍在試圖逐步推進這項技術。

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