“锗”射新能源的光芒

◎ 本刊记者 顾楠｜文

近年来，太阳能光伏发电产业的快速发展，带动了以锗晶片为基板的高效三结太阳能电池逐步从空间应用向地面应用发展，高效率太阳能用锗晶片发展潜力巨大。

近年来，太阳能光伏发电产业和市场正在以20%～50%的速度快速发展，已成为全球发展最快的新兴行业。产业的快速发展，也带动了以锗晶片为基板的高效三结太阳能电池逐步从空间应用向地面应用发展，高效率太阳能用锗晶片发展潜力巨大。

国内奋起直追

目前，全球太阳能电池用锗晶片最大生产商为比利时优美科（Umicore）公司和美国AXT公司。但国外企业生产太阳能电池用锗单晶的原料区熔锗锭主要从中国进口，价格难以控制，导致产品成本不稳定。

产业发展方向让外国人控制的现状激发了中国自主知识产权研发的速度，国内厂商奋起直追。日前，“国内首条年产30万片太阳能用锗晶片生产线运行”的新闻引起人们的注意。据悉，云南临沧鑫圆锗业股份有限公司（云南锗业）控股子公司云南中科鑫圆晶体材料有限公司近年来通过对太阳能电池用锗单晶及晶片产业化开发关键技术进行攻关，实现了技术突破，系统解决了VGF法单晶生长炉的设计和制造技术、VGF法大直径低位错密度锗单晶生长关键工艺技术、高平整度开盒即用锗抛光晶片加工等关键技术难题。应用自主知识产权技术成果建成了年产4英寸太阳能用锗晶片30万片的生产线并投入运行。该生产线填补了国内空白，具有国内领先、国际先进水平。

该消息一出，让国人心情为之一振，但又感任重而道远。现在，国际上锗衬底化合物半导体叠层电池生产线均为4英寸生产线。为了降低成本和提高成品率，比利时优美科公司和美国AXT公司均已研制成功6英寸太阳能电池用锗单晶。未来，太阳能锗单晶主流产品也将由4英寸向6英寸转变。但无论怎样，国内企业已迈出了第一步，正朝着新的目标而努力。

需求快速增长

2月20日晚间，云南锗业公告了2013年业绩快报。报告称，2013年公司实现营业收入82407.20万元，比上年同期增长115.87%，主要原因系产品的销量和价格变动所致，其中，销量增长幅度超过一倍以上的产品就有太阳能电池用锗晶片。

据了解，由于太阳能电池产业化快速发展，锗衬底太阳能电池光电转换率显著提高及安装成本、发电成本的明显降低，光伏市场上锗衬底太阳能电池需求迅猛增加，太阳能电池用锗单晶片的需求也随之增长，每1千兆瓦聚光500倍高效三结电池需要消耗240万片4英寸的锗衬底单晶片。

如此大量的消耗，一方面是空间太阳能电池用锗单晶片的需求巨大，另一方面则是地面太阳能电池用锗单晶片需求增长迅速。

随着全球对太空的深入研究和探索，特别是太空空间站的建设，全球空间太阳能电池用锗单晶片需求量稳定增长。空间飞行器需要的太阳能电池用锗单晶片数量巨大，而空间站的建立及维护所需要的太阳能电池用锗晶片数量更为巨大。目前，全球在空间太阳能电池中超过80%采用了锗衬底化合物半导体叠层电池，未来将提高到近100%。

此外，聚光光伏发电技术以其高转换效率、低成本等优势在地面光伏发电系统中也备受瞩目。国际著名光伏巨头均已开发建设聚光太阳能电池地面电站。随着全球光伏产业的发展，地面太阳能电池产业对锗单晶片一直保持较高的需求增长率。

未来前景广阔

硅元素在地壳中的含量为27.8%，硅片是地面光伏市场的主要原材料，约占地面光伏市场的80%。但是由于硅的低效率和温度性差，硅的光电转换效率一直不高，目前较少应用到空间领域。锗元素在地壳中分布稀少又分散，锗晶片的高温性、抗频性和抗辐射性好，同等功率锗电池重量轻于硅电池，被广泛应用于空间、能源、光电、国防、现代信息产业等高科技领域和地面光伏领域。

尽管硅片与锗晶片同样都能被应用于光伏领域，但是由于太阳能光伏市场前景广阔，对锗和硅的需求量一直保持增长，以锗为原料的太阳能电池具有稳定的空间市场和增长的地面市场，不会受到硅太阳能电池的挤压。以III-V高效电池代替硅电池，并采用聚光技术，以相对低廉的聚光器来代替昂贵的太阳能电池，将能够降低太阳能电池发电成本，而且随着运用锗单晶片制造太阳能电池聚光技术的突破和MOCVD等设备成本的降低，太阳能电池用锗单晶片被国际公认为最具发展前景和商用价值的最新一代光伏材料，其地面光伏市场占有率将逐步增加。

目前，空间太阳能电池需求量增长迅速，空间太阳能电池主要厂家都接到了巨额订单，甚至出现了供不应求的情况。随着我国航天事业和空间科学快速发展，我国空间太阳能电池需求量也将迅速增长。中国航天科技集团公司副总经理马兴瑞曾在中国国际航空航天高峰论坛上透露，“十一五”、“十二五”期间，中国将研制近100颗空间飞行器，包括通信广播卫星、地球资源卫星、返回式卫星、气象卫星、导航卫星和科学试验卫星六大系列。考虑到因卫星研制周期较长的因素，2010～2015年我国年发射卫星数量大约在10～15颗。根据卫星大小的不同，每颗普通卫星大约需要高效太阳能电池用锗晶片约6000～15000片，每颗大型卫星的太阳能用锗晶片将达到数万片，空间站的建立及维护所需要的太阳能用锗晶片数量更为巨大。预计我国今后几年随着国家军事现代化的进程，随着商用科技领域的快速发展，到2015年对4英寸高效率太阳能电池用锗单晶片的需求将达到140万片。

与此同时，在能源和环保日益严峻的情况下，近年来地面太阳能光伏产业正以迅猛的速度发展，太阳能产业年增长速度超过了40%，一些国家更是达到惊人的速度。预计全球每年的光伏系统装机量增长率为30%。而且，随着聚光技术的发展，地面太阳能电池用锗晶片生产的太阳能电池的发电成本正在逐步降低。在技术革新和成本降低的有利因素推动下，锗单晶片在地面太阳能电池市场中的需求量正在增加。按照目前地面太阳能光伏市场的发展趋势，三结太阳能电池在整个地面光伏市场运用的比例，每提高一个百分点，都有可能带来几十万片到百万片的需求量。

此外，有关资料显示：尽管科技在不断进步，备用电池仍然占据了战场上士兵100磅负重的五分之一，他们的包袱包括背包、武器、保护装备和一整套电子装置。这些电池是为保命用的电子元件提供电力，但是它的重量仍然阻碍了前进并成为了攻击的弱点。美军在一份计划中设想：到2025年，任何一名美军士兵可以在任何地方补充燃料和电能。20世纪90年代中期，美军开始着力打造数字化部队，GPS、夜视仪、战场数据传输系统等大量数字化装备的配备，使得部队装备特别是单兵装备对电能的需求激增，随着武器系统日益复杂，士兵携带的电池也逐渐加重并成为严重的问题，只有依靠便携式太阳能电池才能解决这一问题。未来，随着中国军队装备技术的提升，以锗晶片为基板的高效三结太阳能电池也将会在军事装备领域得到广泛应用，由此拉动太阳能电池用锗晶片的需求。

高效太阳能电池用锗单晶及晶片项目属于国家政策鼓励类项目，符合《有色金属产业调整和振兴规划》和国家产业政策对于稀有金属未来发展规划的要求。工业和信息化部2012年1月4日发布的《新材料产业“十二五”发展规划》也再次明确，要积极开发锗等新型半导体材料，推进高效、低成本光伏材料产业化。我们相信，在国家政策的不断推动和支持下，太阳能电池用锗晶片的前途将会更加光明，前景将会更加广阔。