美国可再生能源研究室：新技术可降低砷化镓电池的生产成本

美国国家可再生能源实验室的一个团队提出了一种新工艺，可降低高效但昂贵的砷化镓电池的生产成本。

太平洋两岸的太阳能研究人员都将眼光投向太空，以寻求更理想的太阳能电池制造方式。在分别发布的两则消息中，中国组件制造商晶科太阳能和美国国家可再生能源实验室(NREL)不约而同地探索在太空当中的光伏生产技术，以便提高地球上的太阳能发电效率。 在NREL，研究人员声称在III-V电池技术方面取得了突破，他们表示这种高效但非常昂贵的电池的成本是可以显著降低的。这个团队透露，他们已经在氢化物气相外延反应器中生长出磷化铝铟(AlInP)和磷化铝镓铟(AlGaInP)。

III-V型太阳能电池得名于这些材料在元素周期表中的族系位置，通常用于比如为卫星或火星探测器供电等太空应用。它们比地球上使用的基于硅晶片的电池更高效，但价格却非常昂贵。

外延法的成本问题

生产成本主要来自于每个电池两小时的金属有机气相外延(MOVPE)生产过程。这个过程涉及在单腔室中将几种化学蒸汽沉积在基板上。

NREL提出了一种借助动态氢化物气相外延(D-HVPE)工艺的分部式解决方案，将所需时间缩短到每个电池不到一分钟。然而由于不能掺入铝元素层意味着电池效率下降。 通过D-HVPE技术，NREL能够使用砷化镓(GaAs)和磷化铟镓(GaInP)来制造太阳能电池——将后者作为“窗口层”来钝化正面，同时允许光穿过砷化镓吸收层。但是，磷化铟镓层不像可以在MOVPE反应器中轻松生长的磷化铝铟层那样透明。

采用磷化铝铟窗口层，用MOVPE方法生长的砷化镓太阳能电池的世界效率记录现为29.1%。而采用磷化铟镓的替代方案，通过HVPE生长的太阳能电池的最大效率估计能达到27%。

各自取得进展

NREL材料应用与性能中心的科学家，重点关注这项新研究的论文主要作者Kevin Schulte表示：“有大量文献表明，我们永远无法利用氢化物气相外延技术生长这些化合物。这是很多III-V企业采用[MOVPE]的原因之一，它才是占主导地位的III-V生长技术。”Schulte在谈到这一最新进展时补充说：“这项创新会改变一切。” NREL团队表示，他们一直在通过技术逐步进步来改善砷化镓电池的经济性。首先，D-HVPE工艺降低了成本，现在铝层生长意味着效率的提高。科学家认为，通过将铝添加到D-HVPE混合物中，他们应该能够实现与MOVPE太阳能电池同等的效率水平。

去年，这个实验室采用D-HVPE技术生产出效率达25.3%的砷化镓电池。NREL战略能源分析中心技术经济分析小组的成员Kelsey Horowitz认为，借助一些调整，大规模制造的D-HVPE电池可以实现0.20-0.80美元/瓦的电力成本。他还表示诸如电动汽车集成、强度不足以支持硅光伏阵列的屋顶系统，以及便携式或可穿戴式太阳能电池板等应用也可以实现这一成本水平。她表示：“可以容忍更高价格的中间市场是存在的。”

NREL国家光伏中心的高级科学家Aaron Ptak主张：“HVPE技术是一种更便宜的工艺。现在我们已经实现了与其他方法一样能实现相同效率，但是更便宜的技术。以前我们虽然价格更低，但效率却无法相比。如今我们终于有可能实现同样的效率，但造价更低廉。”