Können teure und leistungsstarke Galliumarsenid-Batterien in Zukunft günstiger werden?

Die 12. China Electronic Information Expo fand vom 9. bis 11. April in Shenzhen statt. Wir alle wissen, dass Halbleitermaterialien in aufstrebenden elektronischen Informationsbranchen wie 5G, künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge eine entscheidende Rolle spielen. Darunter befindet sich ein Halbleitermaterial namens Galliumarsenid. Die daraus hergestellten Batterien sind leistungsstärker und vielseitiger einsetzbar.

Einer der wichtigsten uns bekannten Indikatoren für Solarzellen ist der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad. Die in der Wüste Gobi verlegten Solarzellen, die überwiegend aus Silizium bestehen, weisen üblicherweise einen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 20 % auf. Die auf der chinesischen Raumstation verwendeten Solarzellen haben jedoch einen Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 32 %. Es handelt sich um Galliumarsenid-Solarzellen.

Es bietet eine erstaunliche Umwandlungseffizienz und einen erstaunlichen Preis. Können Galliumarsenid-Batterien in Zukunft also billiger werden? Bevor wir diese Frage beantworten, wollen wir zunächst die Hauptvorteile dieser Batterie verstehen.

Kann sehr dünn gemacht werden

Um 95 % des Sonnenlichts zu absorbieren, muss Silizium mehr als 150 Mikrometer dick sein, während Galliumarsenid nur 5 bis 10 Mikrometer benötigt.

Der Vorteil besteht darin, dass das Gewicht von Solarzellen aus Galliumarsenid erheblich reduziert werden kann, was gerade bei Weltraumstarts von Vorteil ist.

Selbst die kostengünstigste, wiederverwendbare Falcon-9-Rakete von SpaceX kostet beim Start rund 20.000 Yuan pro Kilogramm Nutzlast, während bei anderen nicht wiederverwendbaren Raketen die Kosten für den Start jedes Kilogramms Nutzlast ins All sogar noch höher sind.

Neben der Kostensenkung bei Weltraumstarts ist die extrem hohe Strahlungsresistenz von Galliumarsenid ein weiterer Vorteil, der sich auch positiv auf die Weltraumumgebung auswirkt.

Alle Arten von Strahlung im Weltraum sind sehr stark und in Bezug auf die Strahlungsresistenz ist Galliumarsenid viel stärker als Silizium-Solarzellen.

Hohe theoretische Umwandlungseffizienz

Einem öffentlichen Dokument des „China Academy of Engineering Consulting Research Project“ zufolge beträgt der theoretische Wirkungsgrad von Einfach- und Mehrfachsolarzellen aus Galliumarsenid 27 % bzw. 50 %, was den Wirkungsgrad von Zellen aus Siliziummaterial bei weitem übersteigt.

Screenshot aus der China Photovoltaic Industry Development Roadmap (2022-2023), veröffentlicht von der China Photovoltaic Industry Association

Der Screenshot oben zeigt, dass der aktuelle durchschnittliche Umwandlungswirkungsgrad der Dreifach-GaAs-Kleinzelle etwa 37 % beträgt und dass die Umwandlungsrate bis 2030 voraussichtlich auf über 40 % steigen wird.

Die photoelektrische Umwandlungsrate ist hoch und bei Bodenanwendungen besteht der Hauptvorteil darin, dass auf derselben Fläche mehr Strom erzeugt werden kann. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sind die zusätzlichen Vorteile jedoch zu zahlreich, um sie alle zu erwähnen.

Galliumarsenid-Dreifachbatterien, die auf den beiden Flügeln des „Tianhe-Kernmoduls“ der chinesischen Raumstation verlegt sind. Bild aus Wikipedia, Autor: Shujianyang.

Um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen, müsste bei Verwendung von Siliziumbatterien die Fläche der beiden Flügel des Tianhe-Kernmoduls erheblich vergrößert werden. Das Problem besteht darin, dass die Startkosten steigen. Gleichzeitig bringen die beiden riesigen Flügel auch eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich, etwa in Bezug auf Design und Wartung.

Vom High-End zum Low-End

Aufgrund der enormen Vorteile und des hohen Preises von Galliumarsenidbatterien können sich ihre Einsatzmöglichkeiten nur auf den oberen bis unteren Preisbereich erstrecken. Zum Beispiel:

Am 16. November 1965 startete die Sowjetunion Venus 3, um die Oberfläche der Venus zu erkunden. Dabei kamen zwei 2 Quadratmeter große Solarzellen zum Einsatz. Dies war der erste Einsatz von Galliumarsenid-Solarzellen im Weltraum. Am 1. März 1966 stürzte Venera 3 auf der Venus ab und war damit das erste von Menschenhand geschaffene Objekt, das auf der Oberfläche eines anderen Planeten aufschlug.

Opportunity Mars Rover, Bild aus Wikipedia.

Spirit Mars Rover. Bild mit freundlicher Genehmigung der NASA.

Der chinesische Marsrover und die Landesonde Zhurong sind auf der Oberfläche des Mars zu sehen. Das Foto wurde mit einer abnehmbaren Kamera aufgenommen, die vom Rover freigegeben wurde. Bild aus Wikipedia.

Bei der Marserkundung verwendeten auch die US-amerikanischen Raumfahrzeuge Opportunity und Spirit sowie der chinesische Marsrover Zhurong Galliumarsenid-Batterien.

Neben der Erforschung der Venus und des Mars verwenden auch Mondsonden wie Chinas Mondrover Yutu Galliumarsenid-Solarzellen.

Darüber hinaus verwenden auch das Hubble-Weltraumteleskop, die chinesische Raumstation und viele Satelliten Galliumarsenid-Solarzellen als Hauptmittel zur Stromerzeugung im Weltraum.

Chinas Mondrover Yutu auf der Mondoberfläche. Bild aus Wikipedia.

Hubble-Weltraumteleskop, Bild über die NASA.

Chinesische Raumstation, Bild aus Wikipedia

Nachdem wir über Weltraumanwendungen gesprochen haben, werfen wir einen Blick auf die Nutzung des erdnahen Weltraums.

Als Near-Space, auch Nahraum genannt, bezeichnet man den Bereich zwischen dem Flugraum gewöhnlicher Flugzeuge und dem Orbitalraum von Raumfahrzeugen. Er wird im Allgemeinen als der Raum in einer Höhe von 20 bis 100 Kilometern über dem Boden definiert.

Heutzutage können große, solarbetriebene Drohnen über lange Zeiträume im erdnahen Weltraum fliegen. Die längste ununterbrochene Flugzeit beträgt bis zu zwei Monate.

Zephyr-Drohne, Bild aus Wikipedia.

Die ausländische, solarbetriebene Drohne Zephyr kann eine maximale Flughöhe von 23,2 Kilometern erreichen und befindet sich bereits im erdnahen Weltraum. Im Jahr 2022 erreichte das Zephyr-UAV erstmals einen Rekord von mehr als zwei Monaten ununterbrochenem Flug.

In terrestrischen Anwendungen werden Galliumarsenid-Solarzellen hauptsächlich in einigen neu entwickelten High-End-Solarautos verwendet. Einigen Informationen zufolge nutzen auch Radarstationen und Mikrowellen-Kommunikationsstationen in abgelegenen Bergregionen teilweise diesen Batterietyp zur Stromversorgung.

Was sind Einzelknoten und Mehrfachknoten?

Wie bereits erwähnt, werden Galliumarsenidzellen in Einzel- und Mehrfachübergangszellen unterteilt. Was genau bedeuten Single Junction und Multi Junction?

Ein Prisma zerlegt weißes Licht in verschiedene Lichtfarben. Bild aus Wikipedia.

Wie wir alle wissen, unterteilte Newton das Spektrum in 7 Farben, nämlich Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett. Nach Rücksprache mit diesen sind die Einzel- und Mehrfachübergänge in Solarzellen leicht zu verstehen.

Das heißt, dass keine Verbindung einer Solarzelle alle Lichtfarben absorbieren kann. es kann sich nur auf eine Farbe konzentrieren. Entweder absorbiert es rot-oranges Licht am besten, oder es absorbiert gelb-grünes Licht am besten, oder es absorbiert blau-indigofarbenes Licht am besten.

Wenn die Solarzelle jedoch aus mehreren Übergängen besteht, beispielsweise Dreifachübergängen, kann die Dreifachübergangs-Solarzelle die Absorption der verschiedenen Wellenlängen des Lichts im Sonnenlicht maximieren, da jeder Übergang einen anderen Absorptionsschwerpunkt hat.

Von einer Verbindung zu zwei Verbindungen und dann zu drei Verbindungen: Dies ist das zentrale Mittel zur kontinuierlichen Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz von Solarzellen.

Wird es in Zukunft günstiger?

Galliumarsenid weist einen weitaus höheren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad auf und wird derzeit hauptsächlich in High-End-Szenarien verwendet. Kann es also in Zukunft billiger werden?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst verstehen, warum Galliumarsenid teuer ist.

Liegt der Grund für den hohen Preis darin, dass das Material extrem knapp ist, die Welt also beispielsweise nur maximal 1.000 Tonnen Gallium produzieren kann, dann besteht grundsätzlich keine Hoffnung. Diese 1.000 Tonnen Gallium können nur in einer kleinen Anzahl von High-End-Anwendungen eingesetzt werden.

Aber das ist nicht der Fall.

Der United States Geological Survey schätzt, dass die bekannten Bauxit- und Zinkerzreserven mehr als 1 Million Tonnen Gallium enthalten.

Bei der Verarbeitung von Bauxit zu Aluminiumoxid reichert sich Gallium in der Natronlauge an und kann durch verschiedene Methoden extrahiert werden. Dies ist die Hauptquelle für Galliummetall.

Unabhängig davon, ob der Mensch Gallium benötigt oder nicht, benötigt er auf jeden Fall Aluminium, und jedes Jahr werden riesige Mengen Aluminium produziert. Bei der Gewinnung von Aluminium entsteht Gallium als Nebenprodukt.

Mit anderen Worten: Obwohl die Galliumproduktion gering ist und das Metall dadurch teurer wird, ist es nicht extrem knapp.

Andernfalls werden wir in einigen Low-End-Produkten kein Galliumarsenid sehen.

Wenn Licht auf Galliumarsenid fällt, erzeugt es einen elektrischen Strom. Umgekehrt, wenn der Strom umgekehrt an Galliumarsenid angelegt wird, gibt es Licht ab (es handelt sich um eine Leuchtdiode).

Bei den in Haushalten verwendeten LED-Lampen handelt es sich um eine Art Leuchtdiode, die meist Galliumarsenid verwendet.

Häufig verwendete LED-Leuchten an Wohndecken, Bild aus Wikipedia.

Die aktuelle Realität ist, dass mehr als 80 % des Galliumarsenids hauptsächlich in Chips, LED-Beleuchtung und LED-Displays verwendet werden. Weniger als 2 % werden zur Herstellung von Solarzellen verwendet.

Die hohen Kosten von GaAs-Solarzellen sind daher nur teilweise auf das Galliummaterial zurückzuführen, der größere Teil ist auf den Herstellungsprozess zurückzuführen.

Die Fertigungstechnologie für Galliumarsenid-Solarzellen, insbesondere Dreifach-Galliumarsenid-Zellen, ist eine umfassende Technologie, die physikalisches Design, Prozessimplementierung, Ausrüstung und Tests integriert.

Da sich die hohen Kosten vor allem in der Vorbereitung widerspiegeln, können wir getrost die im vorherigen Artikel aufgeworfenen Fragen beantworten:

Der Preis für Galliumarsenid-Solarzellen wird in Zukunft zwangsläufig sinken. Es ist schwer vorherzusagen, wie viel billiger es sein wird, aber es wird auf jeden Fall billiger sein als jetzt.

Denn verschiedene Fertigungstechnologien werden ständig verbessert.

Autor: Hanmu Diaomeng, ein populärwissenschaftlicher Autor und Gewinner des „National Excellent Popular Science Work Award“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie

Gutachter : Chen Changshui, Forscher, School of Information and Optoelectronics, South China Normal University

Produziert von: Science Popularization China

Hersteller: China Science and Technology Publishing Co., Ltd., China Science and Technology Publishing (Beijing) Digital Media Co., Ltd.