根據最近剛剛結束的京都議定書修改，未來高耗能產品輸出將受到嚴格限制。生產過程須高耗能的單、多晶硅太陽能電池將面臨嚴苛挑戰。而具環保低耗能且發電轉換效率更高的砷化鎵太陽能電池，估計將逐漸取代晶硅太陽能電池市場。目前市場上量產的單晶與多晶硅的太陽電池平均效率約在15%上下，為了提煉晶硅原料，需要花費極高的能源，所以嚴格地說，現今的晶硅太陽電池，也是某種型式的浪費能源。而砷化鎵太陽能電池，由于原料取得不需使用太多能源，而且光電轉換效率高達38%以上，比傳統晶硅原料高出許多，符合修改后的京都議定書規范，估計未來將成市場主流。

為了解決這一問題，人們不得不把眼光盯向薄膜電池，使近年薄膜電池異軍突起，引起投資者的極大興趣。但薄膜電池光電轉換效率相對較低，特別是砷化鎵薄膜電池價格昂貴，目前僅在空間領域應用，給光伏產業的大規模發展帶來一定制約。而采用砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統即所謂HCPV系統，卻能實現光熱與光伏的綜合利用，并充分降低生產成本、提高轉換效率，為光伏產業更大發展開辟新的市場空間。

一、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統的基本構想

在光伏發電產業中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產量的94%以上。由于近年太陽能級硅材料供不應求，且持續大幅度漲價，在一定程度上制約了硅基光伏電池的發展。因此，如何提高光伏電池的轉換效率和降低光伏電池的生產成本，成為目前光伏產業必須研究和解決的核心問題。人們一方面在研究和擴大太陽能級硅材料的生產，另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料來生產新的光伏電池。在這樣一種背景下，非晶硅、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒等薄膜電池應運而生，乘勢發展。上述光伏電池中，非晶硅電池效率低下，且穩定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規模生產，但是鎘有劇毒，會對環境造成嚴重污染，硒和銦是儲量很少的稀有元素，因此大規模發展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外，還可以通過疊層技術做成多結砷化鎵基電池，以進一步提高轉換效率。但是，由于砷化鎵基材料價格昂貴， 砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領域應用，離地面應用的商業化運行還有很大距離。

為了降低光伏電池的發電成本，可采取的有效途徑之一就是研發和應用砷化鎵薄膜電池聚光發電系統。在獲得同樣輸出功率情況下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統，來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在這種聚光系統中，如果聚光率超過10倍以上，則系統只能利用直射陽光，因而必須采用跟蹤系統相互配合，才能充分發揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢是，在低聚光率時，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時，則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統還需要配備有效的散熱設備。考慮到系統的整體經濟性，可以通過主動制冷方式，在對光伏電池快速散熱的同時，充分利用熱能生產熱水，最終實現實現太陽能光熱和光伏的綜合利用，以充分發揮整體效能。

二、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統的組成部件

(一)電池片

1. 砷化鎵(GaAs)的發展潛力

砷化鎵(GaAs)半導體材料與傳統的硅材料相比，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，廣泛應用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應用于激光器、無線通信、光纖通信、移動通信、GPS全球導航等領域。砷化鎵除在I C產品應用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產生光電反應，達到所對應的光波波長，制作成光電元件。還可與太陽能結合制備砷化鎵太陽能電池。

作為通信、微電子以及光電子的基礎材料GaAs材料，世界上其晶體生長技術和器件制作技術已較成熟，其應用領域不斷擴大。其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應用市場上，將有明顯增幅，預計到2010年，市場需求近10億美元，增長23%。在砷化鎵太陽能電池上，也有部分要量產的企業。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2007年達到了峰期。未來砷化鎵發展勢必將與Si、GaN以及SiGe一同參與市場競爭。

砷化鎵集成電路，用半導體砷化鎵(GaAs)器件構成的集成電路。構成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢壘柵場效應管、高電子遷移率晶體管和異質結雙極晶體管。20世紀70年代初，由于高質量的GaAs外延材料和精細光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的制作得到突破性進展。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、抗輻射能力強等優點。它的缺點是材料缺陷較多，集成規模受到限制，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字集成電路兩類。前者主要用于雷達、衛星電視廣播、微波及毫米波通信等領域，后者主要用于超高速計算機及光纖通信等系統。

2. GaAs電池片技術特點

市場上的聚光光伏電池系統組件大部分仍采用單晶硅太陽能電池，基于砷化鎵基多結太陽能電池的產品在國際市場上剛剛嶄露頭角，尚未進入國內市場。高效太陽能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統的核心部件。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，需要重新設計工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應充分借鑒激光器、發光二極管等器件的先進設計方法。采用低成本、高熱穩定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網格電極材料，通過優化電極結構和制作工藝，在不改變電池外延結構的條件下，開發出500至1000倍聚光下高效多結光伏電池低成本產業化生產工藝，使光電轉換效率達到30%，并獲得較高的工作穩定性。

(二)聚光器

由于高效砷化鎵光伏電池的生產成本較高，因此提高聚光器的聚光倍數、聚光效率和均勻性成為充分發揮砷化鎵光伏電池效率優勢、降低聚光光伏、光熱綜合利用系統成本的關鍵之一。光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽光聚焦到光伏電池上。按光學類型劃分，常用的聚光系統通常分為折射聚光系統和反射聚光系統。對于實際應用來說，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方式可以是點聚焦，也可以是線聚焦。點聚焦時，將太陽光聚焦在一個光伏電池片上;線聚焦時，將太陽光聚焦在光伏電池組成的線列陣上。反射式聚光系統也可以分為點聚焦結構和線聚焦結構。但是傳統菲涅爾透鏡存在難以實現的高接收角、聚光后光強分布不均勻和易老化變形等問題。而反射式聚光器聚光倍數較低，難以大幅度降低發電成本。

(三)跟蹤器

對于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統來說，對日跟蹤器必不可少。這主要是由于隨著聚光比的提高，聚光光伏系統所接收到光線的角度范圍就越小，為了更加充分地利用太陽光，聚光光伏系統必須輔以對日跟蹤裝置。因此，通過對聚光光伏系統跟蹤信號的產生、自動控制的機理、驅動執行部分的實現以及保護應急措施的考慮，研究出跟蹤精度高、運行安全可靠、抗干擾能力強、制造和運用成本低、用戶操作界面友好的太陽能跟蹤器，對于成功開發砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統是至為重要的。目前，對日跟蹤器的設計方案眾多，形式不拘一格。點聚光結構的聚光器一般要求雙軸跟蹤，線聚光結構的聚光器僅需單軸跟蹤。由于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統不得不經受安裝地區惡劣的氣候條件，如風、沙、冰雹、雨、雪等的侵蝕和損壞，因此，跟蹤系統的可靠性仍需進一步的提高。

(四)散熱器

溫度是影響太陽能電池光電轉換效率的重要因素之一。聚光太陽電池在運行過程中，未被利用的太陽輻射能除一部分被反射外，其余大部分被電池吸收轉化為熱能。如果這些吸收的熱量不能及時排除，電池溫度就會逐漸升高，發電效率降低，而且電池長期在高溫下工作還會因迅速老化而縮短使用壽命。因此，為了實現對電池組件的溫度控制，可采用無機超導熱管技術。即以多種無機元素組合而成的傳熱介質，加入到管腔或夾壁腔內，經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的過程中，表面呈現出無熱阻快速波狀導熱特性。它既可保證聚光光伏電池的光電轉換效率，同時又能獲得相當可觀的光熱收益，實現對太陽能的電熱聯用，以滿足普通用戶日常生活用電和熱水。

三、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統的開發意義

在各國政府的大力支持下，以及光伏市場的需求和聚光光伏技術迅猛提高的趨勢下，高效、低廉、可靠、穩定的聚光光伏發電系統正在逐步走向產業化。在國際光伏市場巨大潛力的推動下，中國作為世界能源消耗第二大國，對于高效、低成本的光伏發電系統的需求更為迫切。與國際上蓬勃發展的光伏發電相比，國內平板式光伏發電系統技術已經比較成熟，而聚光光伏發電系統還處于技術開發階段。只要我們抓住有利時機，瞄準國際光伏電池新材料及器件研究的前沿，積極引進和開發成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統，就能在聚光光伏技術及應用方面取得原創性的、突破性的進展。

砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統是一個技術水平高、涉及學科多、帶動作用強的綜合產業。在這個產業鏈上，包括了研制系統所需要的鋼材、玻璃、塑膠材料等產業;包括了與聚光器、跟蹤器所密切相關的精密儀器加工和自動控制等產業;包括了與高效太陽能電池相關的關鍵設備制造、III-V族半導體材料外延和器件制作等產業，包括了與太陽能光熱利用相關的傳熱、水箱、管道等產業，還有相關的蓄電池、逆變器和控制器等產業。因此，通過研發砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統，能夠帶動相關產業的迅速發展，提高相關產業的整體研發水平，同時創造更多的就業崗位。

發展砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統，具有良好的節能減排、環境保護和推廣應用等社會效益。以年產聚光砷化鎵薄膜電池產量1MW計算，比同等產量的晶體硅光伏電池每年可減少耗電800萬千瓦時，節約標煤0.30萬噸，減排二氧化碳0.58萬噸，二氧化硫40.78噸，二氧化氮34.40噸。此外，這些光伏光熱系統推廣應用后每年能夠生產電力200萬千瓦時，利用熱能266萬千瓦時，基本滿足1400多個普通家庭的日常能源需求，由此又可節省標煤0.18萬噸，減排二氧化碳0.34萬噸，二氧化硫23.40噸，二氧化氮19.70噸。同時，砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發電系統的研發和推廣，必將對普及太陽能知識，增強全社會對新能源的認識，加快新能源的推廣、應用和普及步伐，產生積極而又深遠的影響。同時會得到當地政府相關部門的大力支持。