我們都知道，半導體材料對5G、人工智能、物聯網等新興電子信息產業有著舉足輕重的作用。其中，有一種叫砷化鎵的半導體材料，以它制成的電池，還有著更強大和廣闊的應用。

我們耳熟能詳的太陽能電池，其最重要的一個指標就是光電轉化效率。戈壁荒漠上鋪設的那些主要使用硅材料的太陽能電池，其光電轉化效率通常在20%左右。然而，中國空間站上使用的太陽能電池，其轉化效率卻高達32%，它就是砷化鎵太陽能電池。

帶來驚艷的轉化效率的同時，也帶來了驚艷的價格。那么，未來砷化鎵電池能變得便宜一點嗎？在回答這個問題之前，我們不妨先來了解一下這種電池的核心優勢。

可做得很薄

同樣是吸收95%的太陽光，硅需要150微米以上的厚度，而砷化鎵卻只需要5至10微米。

這帶來的好處就是，用砷化鎵制成的太陽能電池，在質量上可以大大減輕，這正是航天發射所青睞的。

即使是成本最低的、可重復使用的SpaceX獵鷹9號火箭，其每千克載荷的發射成本也在兩萬元左右，而其他不可重復使用的火箭，發射每千克載荷上天的成本就更高了。

除了有利于降低航天發射成本，砷化鎵的另一個優勢也利于太空環境，那就是其超強的抗輻射性。

外太空各種輻射都很強，而在抗輻射性能上，砷化鎵比硅材料太陽能電池要強上許多。

理論轉化效率高

根據“中國工程院咨詢研究項目”的一份公開文件顯示，單結和多結砷化鎵太陽能電池的理論效率分別為27%和50%，這遠遠超過了硅材料電池。

截圖來自中國光伏行業協會發布的《中國光伏產業發展路線圖（2022-2023年》

上面截圖顯示，目前砷化鎵小電池片三結研發平均轉換效率為37%左右，而在2030年有望將轉化率提升到40%以上。

光電轉化率高，這對于地面應用來說，最主要的好處就是相同面積能發出更多的電力。然而，對于航天應用來說，附帶的好處就太多了。

中國空間站“天和核心艙”兩翼上鋪設的砷化鎵三結電池。圖片來自維基百科，作者：Shujianyang。

要發出相同的電力，若選用硅材料電池，則天和核心艙兩翼的面積將大幅增加。帶來的問題是發射成本上升，同時，龐大的兩翼也會帶來設計和維護等一系列困難。

從高端往下走

砷化鎵電池的巨大優勢和高昂價格，注定了其應用只能是從高端慢慢往下延伸。例如：

1965年11月16日，蘇聯發射的用于探索金星表面的“金星3號”，其使用了兩塊2平方米太陽能電池，這是砷化鎵太陽能電池在太空中的首次使用。1966年3月1日，金星3號在金星上墜毀，成為第一個撞擊另一顆行星表面的人造物體。

機遇號火星漫游車，圖片來自維基百科。

勇氣號火星漫游車，圖片來自NASA。

中國祝融號火星車與著陸器在火星表面的合照，照片由其釋放的一臺分離式相機拍攝。圖片來自維基百科。

火星探測時，美國的機遇號和勇氣號，還有中國的祝融號火星車也使用了砷化鎵電池。

除了金星、火星探測，月球上的探測器，比如中國的玉兔號月球車也使用到了砷化鎵太陽能電池。

另外，哈勃太空望遠鏡，中國空間站，以及很多衛星也將砷化鎵太陽能電池作為太空獲取電力的最主要的手段。

月球表面的中國玉兔號月球車，圖片來自維基百科。

哈勃太空望遠鏡，圖片來自NASA。

中國空間站，圖片來自維基百科

說完太空應用后，我們再來看一個臨近空間的使用。

臨近空間，也叫近太空，它是指介于普通航空飛機的飛行空間和航天器軌道空間之間的區域，一般定義為距地面20千米～100千米的空間。

如今，大型太陽能無人機已經可以在臨近空間長時間飛行，連續飛行最長時間高達兩個月。

西風號無人機，圖片來自維基百科。

國外大型太陽能無人機西風號，最高飛行高度可達23.2千米，已經處在臨近空間。2022年，西風號無人機首次實現持續飛行兩個多月的紀錄。

在地面應用上，砷化鎵太陽能電池主要使用在一些新研發的高端太陽能汽車上。一些資料也顯示，邊遠山區的雷達站和微波通訊站也部分使用這種電池提供電源。

何為單結和多結

前文提到了，砷化鎵電池分為單結和多結，那么，單結和多結到底是什么意思呢？

三棱鏡將白光色散成各種顏色的光，圖片來自維基百科。

眾所周知，牛頓把光譜分成7種顏色，分別是紅橙黃綠藍靛紫。回憶起這些后，那么太陽能電池中的單結和多結就很好理解了。

就是說，任何一結的太陽能電池，它不可能將所有顏色的光都吸收，它只能有一個側重。要么其對紅橙光吸收最好，要么對黃綠光吸收最好，要么對藍靛光吸收最好。

但如果將太陽能電池做成多結，比如三結，由于每一結吸收側重點不同，所以三結太陽能電池就能對太陽光中各種不同波長的光做到最大化吸收了。

從一結到二結，再到三結，這是太陽能電池光電轉化效率持續提升的核心手段。

未來能便宜點嗎？

砷化鎵光電轉化效率遙遙領先，當下主要應用在高端場景。那么，其未來能便宜點嗎？

要回答這個問題，首先需要搞清楚，砷化鎵的貴主要體現在什么地方。

如果貴的原因是材料極度稀缺上，比如全球最多只能產出1000噸鎵，那基本沒戲了。這1000噸鎵只能用在少量的高端應用上。

但實際并非如此。

根據美國地質調查局的估計，已知的鋁土礦和鋅礦石儲量中含有超過100萬噸的鎵。

將鋁土礦加工成氧化鋁的過程中，鎵會在氫氧化鈉溶液中積累，這些鎵可以通過多種方法提取。這就是鎵金屬的主要來源。

無論人類是否需要鎵，但必然需要鋁，且每年都在生產海量的鋁，而在獲得鋁的過程中，其副產品就是鎵。

也就是說，雖然鎵產量少，導致這種金屬比較貴，但并不屬于極端稀缺。

否則的話，在一些低端產品中，我們將看不到砷化鎵的影子。

光照射在砷化鎵上，可產生電流。反之，將電流反過來作用在砷化鎵上，砷化鎵就會發光，這就是發光二極管。

家庭中使用的LED燈泡，就是一種發光二極管，多數使用的都是砷化鎵。

家庭天花板上常用的LED燈，圖片來自維基百科。

目前的實際情況是，超過80%的砷化鎵主要應用在芯片、LED照明、LED顯示上。而只有不到2%才用來制作太陽能電池。

因此，砷化鎵太陽能電池的貴，只有一部分是體現鎵材料上，而更大一部分貴的原因是體現在制備上。

砷化鎵太陽能電池制造技術，尤其是三結砷化鎵電池，它是集物理設計、工藝實施、設備、測試于一體的綜合技術。

既然貴主要是體現在制備上，則我們就有信心回答前文提出的問題了：

砷化鎵太陽能電池的價格未來必然會變得便宜，便宜多少不好預測，但必然比現在更便宜。

因為各種制造技術一直在進步。