突破不可能！NREL实现低成本砷化镓电池

　　砷化镓GaAs电池一直被认为效率最高的光伏电池。然而，由于其高昂的制造成本，砷化镓电池只配航天空间站拥有，地面光伏电站从未奢想过。

　　然而，这个宿命，似乎正在被NREL的科学家打破。根据TestPV对光伏电池前沿技术的关注发现，NREL的科学家最近成功地用一种从未实现过的方法，制造出低成本的砷化镓材料，有望大幅降低其成本，最终实现在地面光伏电站的应用。

　　III-V族的平民梦想

　　砷化镓，由于其在元素周期表上的位置而得名为III-V太阳能电池，其超高的光电转化效率让它在空间应用中常用。但对地面电站来说这些元素实在太贵，是太昂贵。一直以来，研究人员都在致力如何开发能降低成本的技术。

　　降低砷化镓电池的成本，无非两种途径：

　　1. 通过新工艺降低砷化镓电池的制作成本；

　　2. 通过新材料提高砷化镓电池的发电效率；

　　由于在砷化镓中引入铝Al、磷P等元素生长出AlGaAs、AlInP和AlGaInP，可以提高砷化镓电池的发电效率，科学家希望这些元素是降低砷化镓电池成本的好办法。

　　生长砷化镓等III-V族元素的方法一直以来有HVPE（氢化物气相外延）和MOVPE（金属有机气相外延）两种方法。这两种工艺都涉及到将化学蒸汽沉积到基底上，但MOVPE的优势在于它能够在两种不同的半导体材料之间形成突变的异质界面，而这正是HVPE传统上所面临的难题。

　　因此，尽管传统的HVPE几十年来一直被认为是电信业生产发光二极管和光电探测器的最佳技术，随着MOVPE的出现，它在20世纪80年代失去了人们的青睐。

　　而且，NREL材料应用和性能中心的科学家表示：“有大量的文献表明，人们永远无法用HVPE方法生长出AlGaAs、AlInP和AlGaInP这些化合物。”
　　
　　但使用MOVPE引入铝Al，生长缓慢，制造成本居高不下。

　　创新改变了一切

　　一篇“通过氢化物气相外延生长AlGaAs、AlInP和AlGaInP” 的文章发表在ACS应用能源材料杂志上。

　　NREL首创了一种称为动态氢化物气相外延（D-HVPE）的新生长技术。成功地生产出AlGaAs、AlInP和AlGaInP。

　　早期的HVPE使用一个单独的腔室，将其中一种化学物质沉积在基底上，D-HVPE依赖于多室反应堆。基板在两个腔室之间来回移动，大大缩短了制作太阳能电池的时间。使用MOVPE制作单结太阳能电池需要一两个小时，而D-HVPE可以在一分钟内完成。

　　时间就是效率，一分钟完成相对于一两个小时，那是天壤之别，将带来工艺成本的大幅下降，让砷化镓电池成本的平民化看到了希望的曙光。

　　生产效率≠发电效率

　　尽管取得了工艺生产效率的进展，但科学家发现，使用D-HVPE生产的含铝砷化镓电池，发电效率却不高，这在很大程度上影响了研究的价值。

　　因为MOVPE仍然拥有另一个优势：能够沉积宽带隙含铝材料，从而实现最高的太阳能电池效率。MOVPE生长的GaAs太阳能电池目前的世界效率记录是29.1%。

　　利用D-HVPE，NREL的科学家们能够用砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaInP）制造太阳能电池。在这些电池中，GaInP被用作“窗口层”，它使前表面钝化，并允许阳光照射到GaAs吸收层下面的光子转化为电能。作为窗口层，GaInP必须尽可能透明，以便更多的阳光透射到下面的吸收层。

　　但GaInP不如MOVPE工艺太阳能电池中使用的磷化铟铝（AlInP）透明。只有GaInP，HVPE生长的太阳能电池的最大效率估计仅为27%。

　　但由于通常的含铝前载体：一氯化铝的化学性质问题，HVPE工艺连实现这些材料的生长都有困难。如何用D-HVPE生长出需要的透明磷化铟铝（AlInP）呢？

　　研究人员一直计划在D-HVPE中引入铝，但首先集中精力验证生长技术。科学家终于找到一种方法来生产一种独特的含铝分子，然后可以流入D-HVPE室。

　　使用三氯化铝发生器，加热到400摄氏度，从固体铝和氯化氢气体中生成三氯化铝。三氯化铝在高压聚乙烯（HVPE）反应器中比一氯化铝更稳定。其他组分 - 氯化镓和氯化铟 - 在800摄氏度下蒸发。这三种元素结合在一起，在650摄氏度的温度下沉积在基底上。

　　这样，科学家们成功地将铝源集成到他们的氢化物气相外延反应器中，并首次用这种技术展示了半导体磷化铝铟（AlInP）和磷化铝镓铟（AlGaInP）的生长。

　　科学家们认为，现在他们应该能够达到与通过MOVPE制造的太阳能电池同等的效率水平。

　　前景展望

　　NREL国家光伏中心的资深科学家表示：“相对于MOVPE，HVPE工艺是一种更便宜的工艺，D-HVPE也一样”。

　　除了工艺过程更便宜，生产效率也从1-2小时减少为1分钟，以前，尽管新工艺电池效率不高，但价格便宜。

　　如今，突破了引入铝元素的瓶颈后，发电效率也能和MOVPE工艺的砷化镓电池一致。

　　一旦实现了工艺成本、发电效率、生产率的突破，原本只有空间站才能用得起的砷化镓电池就有望实现在地面电站应用的突破，对于光伏行业又将是一场新的革命。

　　十年后颠覆晶硅？砷化镓+钙钛矿=异质结。目前研究人员仍在试图逐步推进这项技术。