又貴又強(qiáng)的砷化鎵電池 未來(lái)能便宜點(diǎn)嗎

我們都知道，半導(dǎo)體材料對(duì)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?yáng)能電池，其最重要的一個(gè)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(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率通常在20%左右。然而，中國(guó)空間站上使用的太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)化效率卻高達(dá)32%，它就是砷化鎵太陽(yáng)能電池。

帶來(lái)驚艷的轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，也帶來(lái)了驚艷的價(jià)格。那么，未來(lái)砷化鎵電池能變得便宜一點(diǎn)嗎？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們不妨先來(lái)了解一下這種電池的核心優(yōu)勢(shì)。

可做得很薄

同樣是吸收95%的太陽(yáng)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(lái)的好處就是，用砷化鎵制成的太陽(yáng)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(hào)火箭，其每千克載荷的發(fā)射成本也在兩萬(wàn)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(gè)優(yōu)勢(shì)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(yáng)能電池要強(qiáng)上許多。

理論轉(zhuǎn)化效率高

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

截圖來(lái)自中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)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(duì)于地面應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最主要的好處就是相同面積能發(fā)出更多的電力。然而，對(duì)于航天應(yīng)用來(lái)說(shuō)，附帶的好處就太多了。

中國(guó)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(lái)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(lái)的問(wèn)題是發(fā)射成本上升，同時(shí)，龐大的兩翼也會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)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(shì)和高昂價(jià)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(hào)”，其使用了兩塊2平方米太陽(yáng)能電池，這是砷化鎵太陽(yáng)能電池在太空中的首次使用。1966年3月1日，金星3號(hào)在金星上墜毀，成為第一個(gè)撞擊另一顆行星表面的人造物體。

機(jī)遇號(hào)火星漫游車(chē)，圖片來(lái)自維基百科。

勇氣號(hào)火星漫游車(chē)，圖片來(lái)自NASA。

中國(guó)祝融號(hào)火星車(chē)與著陸器在火星表面的合照，照片由其釋放的一臺(tái)分離式相機(jī)拍攝。圖片來(lái)自維基百科。

火星探測(cè)時(shí)，美國(guó)的機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)，還有中國(guó)的祝融號(hào)火星車(chē)也使用了砷化鎵電池。

除了金星、火星探測(cè)，月球上的探測(cè)器，比如中國(guó)的玉兔號(hào)月球車(chē)也使用到了砷化鎵太陽(yáng)能電池。

另外，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，中國(guó)空間站，以及很多衛(wèi)星也將砷化鎵太陽(yáng)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(guó)玉兔號(hào)月球車(chē)，圖片來(lái)自維基百科。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，圖片來(lái)自NASA。

中國(guó)空間站，圖片來(lái)自維基百科

說(shuō)完太空應(yīng)用后，我們?cè)賮?lái)看一個(gè)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(yáng)能無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以在臨近空間長(zhǎng)時(shí)間飛行，連續(xù)飛行最長(zhǎng)時(shí)間高達(dá)兩個(gè)月。

西風(fēng)號(hào)無(wú)人機(jī)，圖片來(lái)自維基百科。

國(guó)外大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)西風(fēng)號(hào)，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(hào)無(wú)人機(jī)首次實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行兩個(gè)多月的紀(jì)錄。

在地面應(yīng)用上，砷化鎵太陽(yáng)能電池主要使用在一些新研發(fā)的高端太陽(yáng)能汽車(chē)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(lái)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(yáng)能電池中的單結(jié)和多結(jié)就很好理解了。

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

但如果將太陽(yáng)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(diǎn)不同，所以三結(jié)太陽(yáng)能電池就能對(duì)太陽(yáng)光中各種不同波長(zhǎng)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(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率持續(xù)提升的核心手段。

未來(lái)能便宜點(diǎn)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(chǎng)景。那么，其未來(lái)能便宜點(diǎn)嗎？

要回答這個(gè)問(wèn)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(méi)戲了。這1000噸鎵只能用在少量的高端應(yīng)用上。

但實(shí)際并非如此。

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的估計(jì)，已知的鋁土礦和鋅礦石儲(chǔ)量中含有超過(guò)100萬(wàn)噸的鎵。

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

無(wú)論人類(lèi)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(guò)程中，其副產(chǎn)品就是鎵。

也就是說(shuō)，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(guò)來(lái)作用在砷化鎵上，砷化鎵就會(huì)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(lái)自維基百科。

目前的實(shí)際情況是，超過(guò)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(lái)制作太陽(yáng)能電池。

因此，砷化鎵太陽(yáng)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(yáng)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(jì)、工藝實(shí)施、設(shè)備、測(cè)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(wèn)題了：

砷化鎵太陽(yáng)能電池的價(jià)格未來(lái)必然會(huì)變得便宜，便宜多少不好預(yù)測(cè)，但必然比現(xiàn)在更便宜。

因?yàn)楦鞣N制造技術(shù)一直在進(jìn)步。