“鍺”射新能源的光芒

◎ 本刊記者 顧楠｜文

近年來，太陽能光伏發(fā)電產業(yè)的快速發(fā)展，帶動了以鍺晶片為基板的高效三結太陽能電池逐步從空間應用向地面應用發(fā)展，高效率太陽能用鍺晶片發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

近年來，太陽能光伏發(fā)電產業(yè)和市場正在以20%～50%的速度快速發(fā)展，已成為全球發(fā)展最快的新興行業(yè)。產業(yè)的快速發(fā)展，也帶動了以鍺晶片為基板的高效三結太陽能電池逐步從空間應用向地面應用發(fā)展，高效率太陽能用鍺晶片發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

國內奮起直追

目前，全球太陽能電池用鍺晶片最大生產商為比利時優(yōu)美科（Umicore）公司和美國AXT公司。但國外企業(yè)生產太陽能電池用鍺單晶的原料區(qū)熔鍺錠主要從中國進口，價格難以控制，導致產品成本不穩(wěn)定。

產業(yè)發(fā)展方向讓外國人控制的現狀激發(fā)了中國自主知識產權研發(fā)的速度，國內廠商奮起直追。日前，“國內首條年產30萬片太陽能用鍺晶片生產線運行”的新聞引起人們的注意。據悉，云南臨滄鑫圓鍺業(yè)股份有限公司（云南鍺業(yè)）控股子公司云南中科鑫圓晶體材料有限公司近年來通過對太陽能電池用鍺單晶及晶片產業(yè)化開發(fā)關鍵技術進行攻關，實現了技術突破，系統(tǒng)解決了VGF法單晶生長爐的設計和制造技術、VGF法大直徑低位錯密度鍺單晶生長關鍵工藝技術、高平整度開盒即用鍺拋光晶片加工等關鍵技術難題。應用自主知識產權技術成果建成了年產4英寸太陽能用鍺晶片30萬片的生產線并投入運行。該生產線填補了國內空白，具有國內領先、國際先進水平。

該消息一出，讓國人心情為之一振，但又感任重而道遠。現在，國際上鍺襯底化合物半導體疊層電池生產線均為4英寸生產線。為了降低成本和提高成品率，比利時優(yōu)美科公司和美國AXT公司均已研制成功6英寸太陽能電池用鍺單晶。未來，太陽能鍺單晶主流產品也將由4英寸向6英寸轉變。但無論怎樣，國內企業(yè)已邁出了第一步，正朝著新的目標而努力。

需求快速增長

2月20日晚間，云南鍺業(yè)公告了2013年業(yè)績快報。報告稱，2013年公司實現營業(yè)收入82407.20萬元，比上年同期增長115.87%，主要原因系產品的銷量和價格變動所致，其中，銷量增長幅度超過一倍以上的產品就有太陽能電池用鍺晶片。

據了解，由于太陽能電池產業(yè)化快速發(fā)展，鍺襯底太陽能電池光電轉換率顯著提高及安裝成本、發(fā)電成本的明顯降低，光伏市場上鍺襯底太陽能電池需求迅猛增加，太陽能電池用鍺單晶片的需求也隨之增長，每1千兆瓦聚光500倍高效三結電池需要消耗240萬片4英寸的鍺襯底單晶片。

如此大量的消耗，一方面是空間太陽能電池用鍺單晶片的需求巨大，另一方面則是地面太陽能電池用鍺單晶片需求增長迅速。

隨著全球對太空的深入研究和探索，特別是太空空間站的建設，全球空間太陽能電池用鍺單晶片需求量穩(wěn)定增長。空間飛行器需要的太陽能電池用鍺單晶片數量巨大，而空間站的建立及維護所需要的太陽能電池用鍺晶片數量更為巨大。目前，全球在空間太陽能電池中超過80%采用了鍺襯底化合物半導體疊層電池，未來將提高到近100%。

此外，聚光光伏發(fā)電技術以其高轉換效率、低成本等優(yōu)勢在地面光伏發(fā)電系統(tǒng)中也備受矚目。國際著名光伏巨頭均已開發(fā)建設聚光太陽能電池地面電站。隨著全球光伏產業(yè)的發(fā)展，地面太陽能電池產業(yè)對鍺單晶片一直保持較高的需求增長率。

未來前景廣闊

硅元素在地殼中的含量為27.8%，硅片是地面光伏市場的主要原材料，約占地面光伏市場的80%。但是由于硅的低效率和溫度性差，硅的光電轉換效率一直不高，目前較少應用到空間領域。鍺元素在地殼中分布稀少又分散，鍺晶片的高溫性、抗頻性和抗輻射性好，同等功率鍺電池重量輕于硅電池，被廣泛應用于空間、能源、光電、國防、現代信息產業(yè)等高科技領域和地面光伏領域。

盡管硅片與鍺晶片同樣都能被應用于光伏領域，但是由于太陽能光伏市場前景廣闊，對鍺和硅的需求量一直保持增長，以鍺為原料的太陽能電池具有穩(wěn)定的空間市場和增長的地面市場，不會受到硅太陽能電池的擠壓。以III-V高效電池代替硅電池，并采用聚光技術，以相對低廉的聚光器來代替昂貴的太陽能電池，將能夠降低太陽能電池發(fā)電成本，而且隨著運用鍺單晶片制造太陽能電池聚光技術的突破和MOCVD等設備成本的降低，太陽能電池用鍺單晶片被國際公認為最具發(fā)展前景和商用價值的最新一代光伏材料，其地面光伏市場占有率將逐步增加。

目前，空間太陽能電池需求量增長迅速，空間太陽能電池主要廠家都接到了巨額訂單，甚至出現了供不應求的情況。隨著我國航天事業(yè)和空間科學快速發(fā)展，我國空間太陽能電池需求量也將迅速增長。中國航天科技集團公司副總經理馬興瑞曾在中國國際航空航天高峰論壇上透露，“十一五”、“十二五”期間，中國將研制近100顆空間飛行器，包括通信廣播衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、返回式衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導航衛(wèi)星和科學試驗衛(wèi)星六大系列。考慮到因衛(wèi)星研制周期較長的因素，2010～2015年我國年發(fā)射衛(wèi)星數量大約在10～15顆。根據衛(wèi)星大小的不同，每顆普通衛(wèi)星大約需要高效太陽能電池用鍺晶片約6000～15000片，每顆大型衛(wèi)星的太陽能用鍺晶片將達到數萬片，空間站的建立及維護所需要的太陽能用鍺晶片數量更為巨大。預計我國今后幾年隨著國家軍事現代化的進程，隨著商用科技領域的快速發(fā)展，到2015年對4英寸高效率太陽能電池用鍺單晶片的需求將達到140萬片。

與此同時，在能源和環(huán)保日益嚴峻的情況下，近年來地面太陽能光伏產業(yè)正以迅猛的速度發(fā)展，太陽能產業(yè)年增長速度超過了40%，一些國家更是達到驚人的速度。預計全球每年的光伏系統(tǒng)裝機量增長率為30%。而且，隨著聚光技術的發(fā)展，地面太陽能電池用鍺晶片生產的太陽能電池的發(fā)電成本正在逐步降低。在技術革新和成本降低的有利因素推動下，鍺單晶片在地面太陽能電池市場中的需求量正在增加。按照目前地面太陽能光伏市場的發(fā)展趨勢，三結太陽能電池在整個地面光伏市場運用的比例，每提高一個百分點，都有可能帶來幾十萬片到百萬片的需求量。

此外，有關資料顯示：盡管科技在不斷進步，備用電池仍然占據了戰(zhàn)場上士兵100磅負重的五分之一，他們的包袱包括背包、武器、保護裝備和一整套電子裝置。這些電池是為保命用的電子元件提供電力，但是它的重量仍然阻礙了前進并成為了攻擊的弱點。美軍在一份計劃中設想：到2025年，任何一名美軍士兵可以在任何地方補充燃料和電能。20世紀90年代中期，美軍開始著力打造數字化部隊，GPS、夜視儀、戰(zhàn)場數據傳輸系統(tǒng)等大量數字化裝備的配備，使得部隊裝備特別是單兵裝備對電能的需求激增，隨著武器系統(tǒng)日益復雜，士兵攜帶的電池也逐漸加重并成為嚴重的問題，只有依靠便攜式太陽能電池才能解決這一問題。未來，隨著中國軍隊裝備技術的提升，以鍺晶片為基板的高效三結太陽能電池也將會在軍事裝備領域得到廣泛應用，由此拉動太陽能電池用鍺晶片的需求。

高效太陽能電池用鍺單晶及晶片項目屬于國家政策鼓勵類項目，符合《有色金屬產業(yè)調整和振興規(guī)劃》和國家產業(yè)政策對于稀有金屬未來發(fā)展規(guī)劃的要求。工業(yè)和信息化部2012年1月4日發(fā)布的《新材料產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》也再次明確，要積極開發(fā)鍺等新型半導體材料，推進高效、低成本光伏材料產業(yè)化。我們相信，在國家政策的不斷推動和支持下，太陽能電池用鍺晶片的前途將會更加光明，前景將會更加廣闊。