砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，廣泛應(yīng)用于高頻及無(wú)線(xiàn)通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無(wú)線(xiàn)通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在I C產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)，制作成光電元件。還可與太陽(yáng)能結(jié)合制備砷化鎵太陽(yáng)能電池。

作為通信、微電子以及光電子的基礎(chǔ)材料GaAs材料，世界上其晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制作技術(shù)已較成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應(yīng)用市場(chǎng)上，將有明顯增幅，預(yù)計(jì)到2010年，市場(chǎng)需求近10億美元，增長(zhǎng)23%。在砷化鎵太陽(yáng)能電池上，也有部分要量產(chǎn)的企業(yè)。在砷化鎵微波元件需求上，可望再倍增，用于蜂窩回程通信的GaAs芯片市場(chǎng)2007年達(dá)到了峰期。未來(lái)砷化鎵發(fā)展勢(shì)必將與Si、GaN以及SiGe一同參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

砷化鎵集成電路，用半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)器件構(gòu)成的集成電路。構(gòu)成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。20世紀(jì)70年代初，由于高質(zhì)量的GaAs外延材料和精細(xì)光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的制作得到突破性進(jìn)展。同硅材料相比，GaAs材料具備載流子遷移率高、襯底半絕緣以及禁帶較寬等特征，因此用它制成的集成電路具有頻率高、速度快、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是材料缺陷較多，集成規(guī)模受到限制，成本較高。GaAs集成電路可分為模擬集成電路如單片微波集成電路和數(shù)字集成電路兩類(lèi)。前者主要用于雷達(dá)、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信等領(lǐng)域，后者主要用于超高速計(jì)算機(jī)及光纖通信等系統(tǒng)。

2. GaAs電池片技術(shù)特點(diǎn)

市場(chǎng)上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽(yáng)能電池，基于砷化鎵基多結(jié)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上剛剛嶄露頭角，尚未進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。高效太陽(yáng)能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件。在500-1000倍的高倍聚光條件下，其芯片和模組制作工藝都與低倍聚光下不同，需要重新設(shè)計(jì)工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器、發(fā)光二極管等器件的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。采用低成本、高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網(wǎng)格電極材料，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝，在不改變電池外延結(jié)構(gòu)的條件下，開(kāi)發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%，并獲得較高的工作穩(wěn)定性。

(二)聚光器

由于高效砷化鎵光伏電池的生產(chǎn)成本較高，因此提高聚光器的聚光倍數(shù)、聚光效率和均勻性成為充分發(fā)揮砷化鎵光伏電池效率優(yōu)勢(shì)、降低聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵之一。光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到光伏電池上。按光學(xué)類(lèi)型劃分，常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方式可以是點(diǎn)聚焦，也可以是線(xiàn)聚焦。點(diǎn)聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)光伏電池片上;線(xiàn)聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在光伏電池組成的線(xiàn)列陣上。反射式聚光系統(tǒng)也可以分為點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu)和線(xiàn)聚焦結(jié)構(gòu)。但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實(shí)現(xiàn)的高接收角、聚光后光強(qiáng)分布不均勻和易老化變形等問(wèn)題。而反射式聚光器聚光倍數(shù)較低，難以大幅度降低發(fā)電成本。

(三)跟蹤器

對(duì)于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)日跟蹤器必不可少。這主要是由于隨著聚光比的提高，聚光光伏系統(tǒng)所接收到光線(xiàn)的角度范圍就越小，為了更加充分地利用太陽(yáng)光，聚光光伏系統(tǒng)必須輔以對(duì)日跟蹤裝置。因此，通過(guò)對(duì)聚光光伏系統(tǒng)跟蹤信號(hào)的產(chǎn)生、自動(dòng)控制的機(jī)理、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分的實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)應(yīng)急措施的考慮，研究出跟蹤精度高、運(yùn)行安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)、制造和運(yùn)用成本低、用戶(hù)操作界面友好的太陽(yáng)能跟蹤器，對(duì)于成功開(kāi)發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是至為重要的。目前，對(duì)日跟蹤器的設(shè)計(jì)方案眾多，形式不拘一格。點(diǎn)聚光結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤，線(xiàn)聚光結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤。由于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)不得不經(jīng)受安裝地區(qū)惡劣的氣候條件，如風(fēng)、沙、冰雹、雨、雪等的侵蝕和損壞，因此，跟蹤系統(tǒng)的可靠性仍需進(jìn)一步的提高。

(四)散熱器

溫度是影響太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。聚光太陽(yáng)電池在運(yùn)行過(guò)程中，未被利用的太陽(yáng)輻射能除一部分被反射外，其余大部分被電池吸收轉(zhuǎn)化為熱能。如果這些吸收的熱量不能及時(shí)排除，電池溫度就會(huì)逐漸升高，發(fā)電效率降低，而且電池長(zhǎng)期在高溫下工作還會(huì)因迅速老化而縮短使用壽命。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組件的溫度控制，可采用無(wú)機(jī)超導(dǎo)熱管技術(shù)。即以多種無(wú)機(jī)元素組合而成的傳熱介質(zhì)，加入到管腔或夾壁腔內(nèi)，經(jīng)真空處理且密封后形成具有高效傳熱特性的元件。該元件將熱量由一端向另一端快速傳導(dǎo)的過(guò)程中，表面呈現(xiàn)出無(wú)熱阻快速波狀導(dǎo)熱特性。它既可保證聚光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)又能獲得相當(dāng)可觀的光熱收益，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的電熱聯(lián)用，以滿(mǎn)足普通用戶(hù)日常生活用電和熱水。

三、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)意義

在各國(guó)政府的大力支持下，以及光伏市場(chǎng)的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高的趨勢(shì)下，高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。在國(guó)際光伏市場(chǎng)巨大潛力的推動(dòng)下，中國(guó)作為世界能源消耗第二大國(guó)，對(duì)于高效、低成本的光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求更為迫切。與國(guó)際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電相比，國(guó)內(nèi)平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段。只要我們抓住有利時(shí)機(jī)，瞄準(zhǔn)國(guó)際光伏電池新材料及器件研究的前沿，積極引進(jìn)和開(kāi)發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，就能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方面取得原創(chuàng)性的、突破性的進(jìn)展。

砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)水平高、涉及學(xué)科多、帶動(dòng)作用強(qiáng)的綜合產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上，包括了研制系統(tǒng)所需要的鋼材、玻璃、塑膠材料等產(chǎn)業(yè);包括了與聚光器、跟蹤器所密切相關(guān)的精密儀器加工和自動(dòng)控制等產(chǎn)業(yè);包括了與高效太陽(yáng)能電池相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備制造、III-V族半導(dǎo)體材料外延和器件制作等產(chǎn)業(yè)，包括了與太陽(yáng)能光熱利用相關(guān)的傳熱、水箱、管道等產(chǎn)業(yè)，還有相關(guān)的蓄電池、逆變器和控制器等產(chǎn)業(yè)。因此，通過(guò)研發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，能夠帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整體研發(fā)水平，同時(shí)創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位。

發(fā)展砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和推廣應(yīng)用等社會(huì)效益。以年產(chǎn)聚光砷化鎵薄膜電池產(chǎn)量1MW計(jì)算，比同等產(chǎn)量的晶體硅光伏電池每年可減少耗電800萬(wàn)千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)煤0.30萬(wàn)噸，減排二氧化碳0.58萬(wàn)噸，二氧化硫40.78噸，二氧化氮34.40噸。此外，這些光伏光熱系統(tǒng)推廣應(yīng)用后每年能夠生產(chǎn)電力200萬(wàn)千瓦時(shí)，利用熱能266萬(wàn)千瓦時(shí)，基本滿(mǎn)足1400多個(gè)普通家庭的日常能源需求，由此又可節(jié)省標(biāo)煤0.18萬(wàn)噸，減排二氧化碳0.34萬(wàn)噸，二氧化硫23.40噸，二氧化氮19.70噸。同時(shí)，砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，必將對(duì)普及太陽(yáng)能知識(shí)，增強(qiáng)全社會(huì)對(duì)新能源的認(rèn)識(shí)，加快新能源的推廣、應(yīng)用和普及步伐，產(chǎn)生積極而又深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)會(huì)得到當(dāng)?shù)卣�府相關(guān)部門(mén)的大力支持。