什么是砷化镓？砷化镓的特点与优势是什么？

在浩瀚太空中，空间站、卫星和深空探测器如同人类的“眼睛”和“手臂”，而它们的能源系统核心，往往是一种深灰色的晶体——砷化镓（GaAs）。这种由镓（Ga）和砷（As）组成的III-V族化合物半导体材料，凭借其卓越的光电转换效率、极端环境适应性和超长寿命，已成为太空光伏领域的绝对主导者，占据了全球太空光伏市场90%以上的份额。本文将深入解析砷化镓的奥秘，揭示它为何能成为太空能源的“黄金材料”。

什么是砷化镓

砷化镓是一种重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，化学式为GaAs，属于第二代半导体的代表。它具有闪锌矿型晶体结构，外观呈暗灰色并带有金属光泽。砷化镓最显著的特点是电子迁移率高（约为硅的5-6倍）且为直接带隙结构。

什么是砷化镓太阳能电池？

砷化镓（Gallium Arsenide, GaAs）光伏组件是一种基于III-V族化合物半导体材料的高性能太阳能电池技术。与传统的硅基太阳能电池相比，砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率、优异的温度特性和抗辐射能力，因此它在高频、高速、抗辐射及光电转换领域表现出色，广泛应用于5G通信、卫星导航、激光雷达、红外探测器以及高效太阳能电池（如航天器用电池）中。

砷化镓太阳能电池的优势

砷化镓被称为“效率之王”，主要归功于其光电转换效率和极端环境适应性：

高光电转换效率

砷化镓的禁带宽度（1.42 eV）与太阳光谱高度匹配，且属于直接带隙材料，光子能量可直接激发电子跃迁，能量损耗更小。单结砷化镓电池理论效率达 27%，实验室最高效率已突破 29.1%；多结叠层电池通过叠加不同带隙材料，理论效率可超 50%，实验室最高效率已达 47.2%（聚光条件下）。实际应用中，中国空间站采用的三结砷化镓电池光电转换效率达 33%-34%，而传统硅电池量产效率多在 20%-26%，理论极限仅 23%。

宽光谱吸收能力

多结砷化镓电池可覆盖紫外线、可见光到红外光的宽光谱范围，能吸收不同波长的光子，光谱利用率远高于仅适配有限波段的硅电池，即使在弱光环境下也能保持高效发电。

低温度系数与高温稳定性

砷化镓电池的温度系数仅为 - 0.05%/℃，远低于硅电池的 - 0.3%~-0.5%/℃。这意味着高温环境下，砷化镓电池的效率衰减极小，其在 250℃时仍可正常工作，而硅电池在 200℃时已无法稳定运行。

优异抗辐射性能

砷化镓电池对太空辐射的耐受性更强，在辐射环境中的性能衰减率比硅电池低 5 倍以上，能在长期太空任务中保持稳定发电，是航天器能源系统的核心选择。

这些特性共同奠定了砷化镓 “效率之王” 的地位，使其在有限光照和极端环境下能产生更多电能，完美满足航天器的高能耗与高可靠性需求。

砷化镓在太阳能电池中架构

在光伏领域，砷化镓主要用于制造高效太阳能电池，尤其是多结叠层太阳能电池。这种电池通过堆叠不同禁带宽度的半导体材料（如 GaInP/GaAs/Ge 三结电池），分别吸收太阳光谱中不同波段的光子，实现光谱的最大化利用。

砷化镓电池的结构通常包括：

衬底：通常使用锗（Ge）或砷化镓本身作为衬底，为电池结构提供支撑。✅吸收层：GaInP（顶层，吸收短波光）、GaAs（中层，吸收可见光）、Ge（底层，吸收红外光），三层协同覆盖更广光谱范围。

窗口层和背场层：用于减少表面复合，提高载流子收集效率，优化电池输出性能。

这种多结结构赋予砷化镓电池卓越的转换效率：常规三结电池实验室效率可达 34.5%-37.8%，聚光条件下四结电池实验室效率最高能突破 45.6%；量产层面，三结砷化镓电池效率稳定在 30%-33%。相比之下，单结硅基电池的实际理论效率上限约为 29.4%，砷化镓电池的效率优势显著，且抗辐射、耐高温性能更优，尤其适配航天等极端应用场景。

砷化镓光伏电池在太空中的应用

砷化镓电池是卫星与空间站的核心能源装备，凭借高效能、轻量化等优势，其应用案例遍布全球航天工程，成为航天器能源系统的优选方案。

中国空间站（天宫）

采用三结砷化镓柔性太阳电池阵，光电转换效率突破30%，单位面积功率达760瓦，远超传统硅基电池。三舱组合后，太阳电池阵总发电面积接近400平方米，可提供超100千瓦电能，满足长期载人任务的能源需求。其柔性设计使单板厚度不足1毫米，收拢后体积仅为传统硬翼的1/20，单位面积重量仅为传统电池阵的50%，大幅降低发射与在轨运维成本。

北斗卫星导航

北斗三号全系列卫星批量采用三结砷化镓太阳能电池，转换效率达30%，初期发电功率约4000瓦，可满足卫星信号功率提升50%后的能耗需求。该电池与锂离子蓄电池组配合，能在±200℃的恶劣太空环境中稳定工作，保障高精度导航与通信功能的长期可靠运行，为北斗全球组网提供充沛能源支撑。

深空探测器

天问一号（中国）：其巡视器搭载三结砷化镓太阳能电池阵，配置4块大型电池板，在火星轨道光照强度仅为地球40%的环境下，转换效率可达30%左右（常温下）。通过搭载电除尘技术，可有效清除火星沙尘暴带来的电池板尘埃，为火星探测任务提供稳定能源。后续祝融号火星车沿用该技术，将光电转化率提升至32%，进一步优化能源供给效率。

砷化镓的应用规模和市场趋势

砷化镓在太空光伏市场的主导地位无可撼动，其应用规模和市场趋势如下：

市场份额

国内太空光伏市场：砷化镓电池占比高达 93.7%，是航天卫星的主流能源部件，国内 98% 的航天在轨卫星均采用砷化镓太阳能板。

全球太空光伏市场：砷化镓电池份额超 90%，美国 Spectrolab、Emcore 合计占据 50%-60% 份额，中国厂商（三安、乾照等）合计占比约 19.8%，且份额持续提升。

市场规模

2025 年：全球砷化镓器件市场规模达 142.85 亿美元，其中太空光伏是核心应用领域，国内砷化镓器件市场规模同步达 11.25 亿元人民币。

未来预测：

预计至 2032 年，全球砷化镓器件市场规模将增长至 224.92 亿美元，2025-2032 年期间年均复合增长率达 6.70%。

市场趋势

技术升级：多结叠层电池（如 GaInP/GaAs/Ge）技术持续突破，实验室最高效率已超 47%，量产三结砷化镓电池效率稳定在 30% 以上；同时砷化镓 / 钙钛矿叠层电池、柔性薄膜多结电池等新技术加速迭代，抗辐射性与寿命进一步提升。

民用拓展：从太空向地面场景延伸，已应用于聚光太阳能系统（CPV）、高空长航时无人机，地面光储电站用高效叠层电池也进入研发应用阶段，未来成本有望通过规模化生产进一步降低。

砷化镓太阳能电池的经典案例

除了卫星和空间站，砷化镓电池还广泛应用于以下场景：

嫦娥四号

搭载砷化镓电池，在月球背面稳定供电。

罗塞塔号（欧洲）

在距离太阳3.8亿公里处仍能稳定供电。

微纳卫星

美国斯坦福大学的CubeSat使用柔性砷化镓薄膜电池，重量仅500 g，发电功率达10 W。

彩虹T4太阳能无人机

高空长航时彩虹无人机采用砷化镓机翼电池，兼顾轻量化与发电效率，延长滞空时间。

太阳能背包

砷化镓（GaAs）太阳能背包采用高效砷化镓薄膜电池，具有轻薄、柔性可弯曲、弱光性好及高光电转化率等优势。相比传统硅电池，它更轻便且耐高温，能为手机等设备提供高效户外充电，是高端户外与商旅出行的理想选择。

砷化镓产业代表企业

三安光电股份有限公司

三安光电成立于1993年，总部位于厦门，是A股上市公司（600703），国内化合物半导体领军企业。公司专注于全色系LED外延片、芯片及集成电路的研发与生产。在砷化镓（GaAs）领域，三安光电具备强大的研发与量产能力。其生产的砷化镓多结太阳能电池，具有高转换效率、耐高温及抗辐射特性，已广泛应用于商用卫星电源、空间站及低轨通信星座等商业航天领域。此外，公司还布局了砷化镓射频芯片，服务于5G通讯等高端市场。

砷化镓以其“效率之王”的硬核实力，成为太空光伏的绝对主导者。从中国空间站的巨型太阳翼，到远在数亿公里外的火星车，砷化镓电池为人类探索宇宙提供了可靠的能源保障。随着技术的进步和成本的降低，这颗“太空能量之星”正飞入寻常百姓家，为地面新能源应用注入新的活力。未来，砷化镓将继续改写人类能源利用的边界，助力我们迈向更远的星辰大海。

厦门乾照光电股份有限公司

国内领先的半导体光电企业，深耕砷化镓太阳能电池领域十余年。在砷化镓电池方面，乾照光电是国内唯一实现批量供货的企业，出货量稳居国内第一，商业航天市占率超60%。其产品转换效率超30%，具备优异的抗辐照性能，已批量应用于G60千帆星座、星网等低轨卫星互联网重大项目。公司正大力扩展产能，致力于成为全球航天及民用高端能源领域的核心供应商。

北京通美晶体技术有限公司

北京通美晶体技术有限公司（通美晶体）成立于1998年，位于北京通州，是一家全球领先的半导体材料科技企业。公司专注于砷化镓、磷化铟等化合物半导体衬底材料的研发与生产。在砷化镓领域，公司掌握垂直梯度冷凝法（VGF）等核心技术，产品涵盖2至8英寸衬底，广泛应用于5G通信、数据中心、人工智能及航天等领域。凭借卓越的技术实力与市场地位，通美晶体已成为全球砷化镓衬底主要供应商之一。