“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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了以鍺晶片為基板的高效三結(jié)太陽能電池逐步從空間應(yīng)用向地面應(yīng)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(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了以鍺晶片為基板的高效三結(jié)太陽能電池逐步從空間應(yīng)用向地面應(yīng)用發(fā)展，高效率太陽能用鍺晶片發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

國內(nèi)奮起直追

目前，全球太陽能電池用鍺晶片最大生產(chǎn)商為比利時(shí)優(yōu)美科（Umicore）公司和美國AXT公司。但國外企業(yè)生產(chǎn)太陽能電池用鍺單晶的原料區(qū)熔鍺錠主要從中國進(jìn)口，價(jià)格難以控制，導(dǎo)致產(chǎn)品成本不穩(wěn)定。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向讓外國人控制的現(xiàn)狀激發(fā)了中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研發(fā)的速度，國內(nèi)廠商奮起直追。日前，“國內(nèi)首條年產(chǎn)30萬片太陽能用鍺晶片生產(chǎn)線運(yùn)行”的新聞引起人們的注意。據(jù)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(duì)太陽能電池用鍺單晶及晶片產(chǎn)業(yè)化開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，系統(tǒng)解決了VGF法單晶生長爐的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、VGF法大直徑低位錯(cuò)密度鍺單晶生長關(guān)鍵工藝技術(shù)、高平整度開盒即用鍺拋光晶片加工等關(guān)鍵技術(shù)難題。應(yīng)用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)成果建成了年產(chǎn)4英寸太陽能用鍺晶片30萬片的生產(chǎn)線并投入運(yùn)行。該生產(chǎn)線填補(bǔ)了國內(nèi)空白，具有國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

該消息一出，讓國人心情為之一振，但又感任重而道遠(yuǎn)。現(xiàn)在，國際上鍺襯底化合物半導(dǎo)體疊層電池生產(chǎn)線均為4英寸生產(chǎn)線。為了降低成本和提高成品率，比利時(shí)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(chǎn)品也將由4英寸向6英寸轉(zhuǎn)變。但無論怎樣，國內(nèi)企業(yè)已邁出了第一步，正朝著新的目標(biāo)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(bào)。報(bào)告稱，2013年公司實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入82407.20萬元，比上年同期增長115.87%，主要原因系產(chǎn)品的銷量和價(jià)格變動(dòng)所致，其中，銷量增長幅度超過一倍以上的產(chǎn)品就有太陽能電池用鍺晶片。

據(jù)了解，由于太陽能電池產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，鍺襯底太陽能電池光電轉(zhuǎn)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(chǎng)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(jié)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?qū)μ盏纳钊胙芯亢吞剿?，特別是太空空間站的建設(shè)，全球空間太陽能電池用鍺單晶片需求量穩(wěn)定增長?？臻g飛行器需要的太陽能電池用鍺單晶片數(shù)量巨大，而空間站的建立及維護(hù)所需要的太陽能電池用鍺晶片數(shù)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(dǎo)體疊層電池，未來將提高到近100%。

此外，聚光光伏發(fā)電技術(shù)以其高轉(zhuǎn)換效率、低成本等優(yōu)勢(shì)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(shè)聚光太陽能電池地面電站。隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，地面太陽能電池產(chǎn)業(yè)對(duì)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(chǎng)的主要原材料，約占地面光伏市場(chǎng)的80%。但是由于硅的低效率和溫度性差，硅的光電轉(zhuǎn)換效率一直不高，目前較少應(yīng)用到空間領(lǐng)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(yīng)用于空間、能源、光電、國防、現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)等高科技領(lǐng)域和地面光伏領(lǐng)域。

盡管硅片與鍺晶片同樣都能被應(yīng)用于光伏領(lǐng)域，但是由于太陽能光伏市場(chǎng)前景廣闊，對(duì)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(chǎng)和增長的地面市場(chǎng)，不會(huì)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(shù)，以相對(duì)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(yùn)用鍺單晶片制造太陽能電池聚光技術(shù)的突破和MOCVD等設(shè)備成本的降低，太陽能電池用鍺單晶片被國際公認(rèn)為最具發(fā)展前景和商用價(jià)值的最新一代光伏材料，其地面光伏市場(chǎng)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(xiàn)了供不應(yīng)求的情況。隨著我國航天事業(yè)和空間科學(xué)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(tuán)公司副總經(jīng)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(dǎo)航衛(wèi)星和科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星六大系列?？紤]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(shù)量大約在10～15顆。根據(jù)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(dá)到數(shù)萬片，空間站的建立及維護(hù)所需要的太陽能用鍺晶片數(shù)量更為巨大。預(yù)計(jì)我國今后幾年隨著國家軍事現(xiàn)代化的進(jìn)程，隨著商用科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，到2015年對(duì)4英寸高效率太陽能電池用鍺單晶片的需求將達(dá)到140萬片。

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

此外，有關(guān)資料顯示：盡管科技在不斷進(jìn)步，備用電池仍然占據(jù)了戰(zhàn)場(chǎng)上士兵100磅負(fù)重的五分之一，他們的包袱包括背包、武器、保護(hù)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(jìn)并成為了攻擊的弱點(diǎn)。美軍在一份計(jì)劃中設(shè)想：到2025年，任何一名美軍士兵可以在任何地方補(bǔ)充燃料和電能。20世紀(jì)90年代中期，美軍開始著力打造數(shù)字化部隊(duì)，GPS、夜視儀、戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等大量數(shù)字化裝備的配備，使得部隊(duì)裝備特別是單兵裝備對(duì)電能的需求激增，隨著武器系統(tǒng)日益復(fù)雜，士兵攜帶的電池也逐漸加重并成為嚴(yán)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(duì)裝備技術(shù)的提升，以鍺晶片為基板的高效三結(jié)太陽能電池也將會(huì)在軍事裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由此拉動(dòng)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(xiàng)目屬于國家政策鼓勵(lì)類項(xiàng)目，符合《有色金屬產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》和國家產(chǎn)業(yè)政策對(duì)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(chǎn)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(dǎo)體材料，推進(jìn)高效、低成本光伏材料產(chǎn)業(yè)化。我們相信，在國家政策的不斷推動(dòng)和支持下，太陽能電池用鍺晶片的前途將會(huì)更加光明，前景將會(huì)更加廣闊。