又貴又強(qiáng)的砷化鎵電池 未來能便宜點嗎

我們都知道，半導(dǎo)體材料對5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興電子信息產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的作用。其中，有一種叫砷化鎵的半導(dǎo)體材料，以它制成的電池，還有著更強(qiáng)大和廣闊的應(yīng)用。

我們耳熟能詳?shù)奶柲?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電池">電池，其最重要的一個指標(biāo)就是光電轉(zhuǎn)化效率。戈壁荒漠上鋪設(shè)的那些主要使用硅材料的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率通常在20%左右。然而，中國空間站上使用的太陽能電池，其轉(zhuǎn)化效率卻高達(dá)32%，它就是砷化鎵太陽能電池。

帶來驚艷的轉(zhuǎn)化效率的同時，也帶來了驚艷的價格。那么，未來砷化鎵電池能變得便宜一點嗎？在回答這個問題之前，我們不妨先來了解一下這種電池的核心優(yōu)勢。

可做得很薄

同樣是吸收95%的太陽光，硅需要150微米以上的厚度，而砷化鎵卻只需要5至10微米。

這帶來的好處就是，用砷化鎵制成的太陽能電池，在質(zhì)量上可以大大減輕，這正是航天發(fā)射所青睞的。

即使是成本最低的、可重復(fù)使用的SpaceX獵鷹9號火箭，其每千克載荷的發(fā)射成本也在兩萬元左右，而其他不可重復(fù)使用的火箭，發(fā)射每千克載荷上天的成本就更高了。

除了有利于降低航天發(fā)射成本，砷化鎵的另一個優(yōu)勢也利于太空環(huán)境，那就是其超強(qiáng)的抗輻射性。

外太空各種輻射都很強(qiáng)，而在抗輻射性能上，砷化鎵比硅材料太陽能電池要強(qiáng)上許多。

理論轉(zhuǎn)化效率高

根據(jù)“中國工程院咨詢研究項目”的一份公開文件顯示，單結(jié)和多結(jié)砷化鎵太陽能電池的理論效率分別為27%和50%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了硅材料電池。

截圖來自中國光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2022-2023年》

上面截圖顯示，目前砷化鎵小電池片三結(jié)研發(fā)平均轉(zhuǎn)換效率為37%左右，而在2030年有望將轉(zhuǎn)化率提升到40%以上。

光電轉(zhuǎn)化率高，這對于地面應(yīng)用來說，最主要的好處就是相同面積能發(fā)出更多的電力。然而，對于航天應(yīng)用來說，附帶的好處就太多了。

中國空間站“天和核心艙”兩翼上鋪設(shè)的砷化鎵三結(jié)電池。圖片來自維基百科，作者：Shujianyang。

要發(fā)出相同的電力，若選用硅材料電池，則天和核心艙兩翼的面積將大幅增加。帶來的問題是發(fā)射成本上升，同時，龐大的兩翼也會帶來設(shè)計和維護(hù)等一系列困難。

從高端往下走

砷化鎵電池的巨大優(yōu)勢和高昂價格，注定了其應(yīng)用只能是從高端慢慢往下延伸。例如：

1965年11月16日，蘇聯(lián)發(fā)射的用于探索金星表面的“金星3號”，其使用了兩塊2平方米太陽能電池，這是砷化鎵太陽能電池在太空中的首次使用。1966年3月1日，金星3號在金星上墜毀，成為第一個撞擊另一顆行星表面的人造物體。

機(jī)遇號火星漫游車，圖片來自維基百科。

勇氣號火星漫游車，圖片來自NASA。

中國祝融號火星車與著陸器在火星表面的合照，照片由其釋放的一臺分離式相機(jī)拍攝。圖片來自維基百科。

火星探測時，美國的機(jī)遇號和勇氣號，還有中國的祝融號火星車也使用了砷化鎵電池。

除了金星、火星探測，月球上的探測器，比如中國的玉兔號月球車也使用到了砷化鎵太陽能電池。

另外，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，中國空間站，以及很多衛(wèi)星也將砷化鎵太陽能電池作為太空獲取電力的最主要的手段。

月球表面的中國玉兔號月球車，圖片來自維基百科。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，圖片來自NASA。

中國空間站，圖片來自維基百科

說完太空應(yīng)用后，我們再來看一個臨近空間的使用。

臨近空間，也叫近太空，它是指介于普通航空飛機(jī)的飛行空間和航天器軌道空間之間的區(qū)域，一般定義為距地面20千米～100千米的空間。

如今，大型太陽能無人機(jī)已經(jīng)可以在臨近空間長時間飛行，連續(xù)飛行最長時間高達(dá)兩個月。

西風(fēng)號無人機(jī)，圖片來自維基百科。

國外大型太陽能無人機(jī)西風(fēng)號，最高飛行高度可達(dá)23.2千米，已經(jīng)處在臨近空間。2022年，西風(fēng)號無人機(jī)首次實現(xiàn)持續(xù)飛行兩個多月的紀(jì)錄。

在地面應(yīng)用上，砷化鎵太陽能電池主要使用在一些新研發(fā)的高端太陽能汽車上。一些資料也顯示，邊遠(yuǎn)山區(qū)的雷達(dá)站和微波通訊站也部分使用這種電池提供電源。

何為單結(jié)和多結(jié)

前文提到了，砷化鎵電池分為單結(jié)和多結(jié)，那么，單結(jié)和多結(jié)到底是什么意思呢？

三棱鏡將白光色散成各種顏色的光，圖片來自維基百科。

眾所周知，牛頓把光譜分成7種顏色，分別是紅橙黃綠藍(lán)靛紫?；貞浧疬@些后，那么太陽能電池中的單結(jié)和多結(jié)就很好理解了。

就是說，任何一結(jié)的太陽能電池，它不可能將所有顏色的光都吸收，它只能有一個側(cè)重。要么其對紅橙光吸收最好，要么對黃綠光吸收最好，要么對藍(lán)靛光吸收最好。

但如果將太陽能電池做成多結(jié)，比如三結(jié)，由于每一結(jié)吸收側(cè)重點不同，所以三結(jié)太陽能電池就能對太陽光中各種不同波長的光做到最大化吸收了。

從一結(jié)到二結(jié)，再到三結(jié)，這是太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率持續(xù)提升的核心手段。

未來能便宜點嗎？

砷化鎵光電轉(zhuǎn)化效率遙遙領(lǐng)先，當(dāng)下主要應(yīng)用在高端場景。那么，其未來能便宜點嗎？

要回答這個問題，首先需要搞清楚，砷化鎵的貴主要體現(xiàn)在什么地方。

如果貴的原因是材料極度稀缺上，比如全球最多只能產(chǎn)出1000噸鎵，那基本沒戲了。這1000噸鎵只能用在少量的高端應(yīng)用上。

但實際并非如此。

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的估計，已知的鋁土礦和鋅礦石儲量中含有超過100萬噸的鎵。

將鋁土礦加工成氧化鋁的過程中，鎵會在氫氧化鈉溶液中積累，這些鎵可以通過多種方法提取。這就是鎵金屬的主要來源。

無論人類是否需要鎵，但必然需要鋁，且每年都在生產(chǎn)海量的鋁，而在獲得鋁的過程中，其副產(chǎn)品就是鎵。

也就是說，雖然鎵產(chǎn)量少，導(dǎo)致這種金屬比較貴，但并不屬于極端稀缺。

否則的話，在一些低端產(chǎn)品中，我們將看不到砷化鎵的影子。

光照射在砷化鎵上，可產(chǎn)生電流。反之，將電流反過來作用在砷化鎵上，砷化鎵就會發(fā)光，這就是發(fā)光二極管。

家庭中使用的LED燈泡，就是一種發(fā)光二極管，多數(shù)使用的都是砷化鎵。

家庭天花板上常用的LED燈，圖片來自維基百科。

目前的實際情況是，超過80%的砷化鎵主要應(yīng)用在芯片、LED照明、LED顯示上。而只有不到2%才用來制作太陽能電池。

因此，砷化鎵太陽能電池的貴，只有一部分是體現(xiàn)鎵材料上，而更大一部分貴的原因是體現(xiàn)在制備上。

砷化鎵太陽能電池制造技術(shù)，尤其是三結(jié)砷化鎵電池，它是集物理設(shè)計、工藝實施、設(shè)備、測試于一體的綜合技術(shù)。

既然貴主要是體現(xiàn)在制備上，則我們就有信心回答前文提出的問題了：

砷化鎵太陽能電池的價格未來必然會變得便宜，便宜多少不好預(yù)測，但必然比現(xiàn)在更便宜。

因為各種制造技術(shù)一直在進(jìn)步。