又贵又强的砷化镓电池,未来能便宜点吗?

来源:科普中国 发布时间:2024年04月12日

第十二届中国电子信息博览会于4月9日至4月11日在深圳举行,我们都知道,半导体材料对5G、人工智能、物联网等新兴电子信息产业有着举足轻重的作用。其中,有一种叫砷化镓的半导体材料,以它制成的电池,还有着更强大和广阔的应用。

我们耳熟能详的太阳能电池,其最重要的一个指标就是光电转化效率。戈壁荒漠上铺设的那些主要使用硅材料的太阳能电池,其光电转化效率通常在20%左右。然而,中国空间站上使用的太阳能电池,其转化效率却高达32%,它就是砷化镓太阳能电池。

带来惊艳的转化效率的同时,也带来了惊艳的价格。那么,未来砷化镓电池能变得便宜一点吗?在回答这个问题之前,我们不妨先来了解一下这种电池的核心优势。

可做得很薄

同样是吸收95%的太阳光,硅需要150微米以上的厚度,而砷化镓却只需要5至10微米。

这带来的好处就是,用砷化镓制成的太阳能电池,在质量上可以大大减轻,这正是航天发射所青睐的。

即使是成本最低的、可重复使用的SpaceX猎鹰9号火箭,其每千克载荷的发射成本也在两万元左右,而其他不可重复使用的火箭,发射每千克载荷上天的成本就更高了。

除了有利于降低航天发射成本,砷化镓的另一个优势也利于太空环境,那就是其超强的抗辐射性。

外太空各种辐射都很强,而在抗辐射性能上,砷化镓比硅材料太阳能电池要强上许多。

理论转化效率高

根据“中国工程院咨询研究项目”的一份公开文件显示,单结和多结砷化镓太阳能电池的理论效率分别为27%和50%,这远远超过了硅材料电池。

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截图来自中国光伏行业协会发布的《中国光伏产业发展路线图(2022-2023年》

上面截图显示,目前砷化镓小电池片三结研发平均转换效率为37%左右,而在2030年有望将转化率提升到40%以上。

光电转化率高,这对于地面应用来说,最主要的好处就是相同面积能发出更多的电力。然而,对于航天应用来说,附带的好处就太多了。

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中国空间站“天和核心舱”两翼上铺设的砷化镓三结电池。图片来自维基百科,作者:Shujianyang。

要发出相同的电力,若选用硅材料电池,则天和核心舱两翼的面积将大幅增加。带来的问题是发射成本上升,同时,庞大的两翼也会带来设计和维护等一系列困难。

从高端往下走

砷化镓电池的巨大优势和高昂价格,注定了其应用只能是从高端慢慢往下延伸。例如:

1965年11月16日,苏联发射的用于探索金星表面的“金星3号”,其使用了两块2平方米太阳能电池,这是砷化镓太阳能电池在太空中的首次使用。1966年3月1日,金星3号在金星上坠毁,成为第一个撞击另一颗行星表面的人造物体。

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机遇号火星漫游车,图片来自维基百科。

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勇气号火星漫游车,图片来自NASA。

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中国祝融号火星车与着陆器在火星表面的合照,照片由其释放的一台分离式相机拍摄。图片来自维基百科。

火星探测时,美国的机遇号和勇气号,还有中国的祝融号火星车也使用了砷化镓电池。

除了金星、火星探测,月球上的探测器,比如中国的玉兔号月球车也使用到了砷化镓太阳能电池。

另外,哈勃太空望远镜,中国空间站,以及很多卫星也将砷化镓太阳能电池作为太空获取电力的最主要的手段。

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月球表面的中国玉兔号月球车,图片来自维基百科。

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哈勃太空望远镜,图片来自NASA。

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中国空间站,图片来自维基百科

说完太空应用后,我们再来看一个临近空间的使用。

临近空间,也叫近太空,它是指介于普通航空飞机的飞行空间和航天器轨道空间之间的区域,一般定义为距地面20千米~100千米的空间。

如今,大型太阳能无人机已经可以在临近空间长时间飞行,连续飞行最长时间高达两个月。

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西风号无人机,图片来自维基百科。

国外大型太阳能无人机西风号,最高飞行高度可达23.2千米,已经处在临近空间。2022年,西风号无人机首次实现持续飞行两个多月的纪录。

在地面应用上,砷化镓太阳能电池主要使用在一些新研发的高端太阳能汽车上。一些资料也显示,边远山区的雷达站和微波通讯站也部分使用这种电池提供电源。

何为单结和多结

前文提到了,砷化镓电池分为单结和多结,那么,单结和多结到底是什么意思呢?

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三棱镜将白光色散成各种颜色的光,图片来自维基百科。

众所周知,牛顿把光谱分成7种颜色,分别是红橙黄绿蓝靛紫。回忆起这些后,那么太阳能电池中的单结和多结就很好理解了。

就是说,任何一结的太阳能电池,它不可能将所有颜色的光都吸收,它只能有一个侧重。要么其对红橙光吸收最好,要么对黄绿光吸收最好,要么对蓝靛光吸收最好。

但如果将太阳能电池做成多结,比如三结,由于每一结吸收侧重点不同,所以三结太阳能电池就能对太阳光中各种不同波长的光做到最大化吸收了。

从一结到二结,再到三结,这是太阳能电池光电转化效率持续提升的核心手段。

未来能便宜点吗?

砷化镓光电转化效率遥遥领先,当下主要应用在高端场景。那么,其未来能便宜点吗?

要回答这个问题,首先需要搞清楚,砷化镓的贵主要体现在什么地方。

如果贵的原因是材料极度稀缺上,比如全球最多只能产出1000吨镓,那基本没戏了。这1000吨镓只能用在少量的高端应用上。

但实际并非如此。

根据美国地质调查局的估计,已知的铝土矿和锌矿石储量中含有超过100万吨的镓。

将铝土矿加工成氧化铝的过程中,镓会在氢氧化钠溶液中积累,这些镓可以通过多种方法提取。这就是镓金属的主要来源。

无论人类是否需要镓,但必然需要铝,且每年都在生产海量的铝,而在获得铝的过程中,其副产品就是镓。

也就是说,虽然镓产量少,导致这种金属比较贵,但并不属于极端稀缺。

否则的话,在一些低端产品中,我们将看不到砷化镓的影子。

光照射在砷化镓上,可产生电流。反之,将电流反过来作用在砷化镓上,砷化镓就会发光,这就是发光二极管。

家庭中使用的LED灯泡,就是一种发光二极管,多数使用的都是砷化镓。

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家庭天花板上常用的LED灯,图片来自维基百科。

目前的实际情况是,超过80%的砷化镓主要应用在芯片、LED照明、LED显示上。而只有不到2%才用来制作太阳能电池。

因此,砷化镓太阳能电池的贵,只有一部分是体现镓材料上,而更大一部分贵的原因是体现在制备上。

砷化镓太阳能电池制造技术,尤其是三结砷化镓电池,它是集物理设计、工艺实施、设备、测试于一体的综合技术。

既然贵主要是体现在制备上,则我们就有信心回答前文提出的问题了:

砷化镓太阳能电池的价格未来必然会变得便宜,便宜多少不好预测,但必然比现在更便宜。

因为各种制造技术一直在进步。

作者:寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核:陈长水 华南师范大学信息光电子科技学院研究员

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