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綠色淘金熱延燒──太陽能電池技術探析

上網時間: 2008年09月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:solar cell  太陽能電池  photovoltaic 

2007年12月,來自產業、學術界、軍方和政府機構的一千五百多位代表在日本福岡參加了第17屆‘國際太陽光電科學與工程大會’(PVSEC)。與會者對於太陽光電(photovoltaic;PV)技術可為環境和政治上帶來的諸多利益深感興奮。從眾多公司涉足太陽光電領域來看,該技術也將為經濟方面帶來諸多優勢。無疑地,太陽光電產業所允諾的無限商機再次振奮了整個半導體產業鏈。

太陽光電技術可提供穩定可靠的本土能源,它不受石油產業的制約、維護成本低、模組化且可擴展性高。它是目前唯一可滿足全球長期能源需求、而不排放溫室氣體的技術。事實上,一顆150x150km的太陽能電池陣列在理論上已可滿足北美的所有能源需求。但太陽光電技術目前仍比採用電力網格的電能昂貴,並缺少合適的負載均衡方案,同時也還需要相當大的空間來產生電能。

太陽能電池種類

一般的太陽能電池共有4種類型,其中的前三種都已完全量產。

•採用III-V族材料的聚光型多接面太陽能電池是一種直接能隙複合物,它具有最高轉換效率(與成本)。它們主要針對衛星和軍事應用,而且通常需要輕聚光型光學元件與複雜的追蹤系統,以實現40%以上的轉換效率。

•採用單晶矽(cSi)或多晶矽(mcSi)的塊狀矽(bulk-silicon)太陽能電池,在某些場合下的轉換效率可達22%以上。

•薄膜太陽能電池的轉換效率大約介於採用非晶矽太陽能電池時的(aSi)10%,以及採用II-VI族材料時的18%之間。這些II-VI族材料包括碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)等物質。由於採用這種薄膜方式可望為現有製程導入全新或改良的材料,長期看來最有可能大幅降低成本。

•最後一類則囊括了各種新技術;例如業已表現出高轉換效率的染料敏化薄膜太陽能電池,以及到目前為止轉換效率仍低的有機太陽能電池等。

轉換效率

太陽光電轉換效率的最簡單定義是:撞擊太陽能電池陣列上可被轉換成可用電流的光子比例。事實上,效率的計算更複雜;只吸收光並產生自由載子是不夠的。為了產生可用的能量,電子和電洞載子必須要達到電池的電極。如果由入射光子形成的電子-電洞對在向電極運動的過程中太快重組在一起,那麼它們就無法為光電電流帶來任何助益。

諸多問題均可能降低載子的遷移率(或者增加重組的可能性)。對於單接面電池來說,塊狀晶矽太陽能電池的問題最少,效率卻很高。這是因為流動的載子從其產生的接面流至為其提供負載的電池電極過程較簡單:電子-電洞對各自分開,並通過相稱的n型(n-type))或p型(p-type)材料。

多晶矽太陽電池以同樣的方式運作;但由於存在晶界問題,導致電子-電洞對的重組現象增加,遷移率與轉換效率也降低至與採用CIGS的薄膜電池接近的水準(約15到18%)。

雖然薄膜電池使用的矽較少(或根本不用),未來還可能以降低成本而提供實現‘太陽能發電成本與購買現有電力成本相同’(grid parity)的最佳途徑,但它所具有的轉換效率卻比塊狀矽電池更低。雖然採用CIGS的電池在轉換效率上接近於多晶矽電池,但採用CIGS的太陽能電池製程比採用塊狀矽的製程具有更高的變異性。雖然原因目前尚不明朗,但一般均認為對於CuIn3Se5的p型α相位和富含銦的n型β相位進行奈米級隔離控制,可說是形成太陽能電池一致能隙的關鍵。

市場展望

塊狀矽太陽能電池約佔目前全球產能的94%,其中日本和德國擁有最大的佔有率。中國正迅速成為全球太陽能生產強國,並可能在未來幾年內超越目前佔第一的日本。雖然大多數公司主要關注於增加電池和模組生產產能,但許多新進入該領域的公司則希望緊抓住目前市場供需不平所帶來的機會。然而,由於缺乏經驗和引進新技術所帶來的高度風險,因此並非所有新興公司都能如願以償。

隨著許多國家導入了強制收購價格(feed-in tariff)制度(政府承諾以事先約定的價格購買由太陽光電產生能源的一種補貼制度),過去5年來,全球太陽光電產能一直以每年超過50%的速度成長,並預計將持續高速成長。

太陽光電產業營收從2006年的100億美元成長到2007年已超過130億美元;同一時期在產能擴充和研發方面的投入也將近160億美元。對於許多公司來說,供應鏈的重要性一直是最深刻的經驗教訓;電池和模組的持續性和可靠性取決於原始材料的一致性與組成成分。從矽原料到晶圓,全球矽材料的短缺一直衝擊著極需矽材料的太陽光電市場,並推動其尋找解決方案的動力,這一努力有時也會帶來意想不到的結果。

對於中國尚德太陽能電力(Suntech Power)公司來說,擴張供應鏈以滿足需求的作法一開始導致了矽採購和品質方面的問題,使得該公司以專有的基底處理製程來解決雜質變異問題。這些製程使得效率提升,並增強了太陽能電池穩定性。

儘管中國太陽光電產業的發展將使其成為全球太陽能電池和模組供應的主導國,但德國和日本也仍持續迅速地擴張其產能。雖然美國目前尚未成為太陽能電池和模組的供應重鎮,但它已宣佈計劃在2012年時,實現太陽能發電成本與購買現有電力成本並駕齊驅的目標。美國對於探索突破性技術以實現‘grid parity’的目標顯現出強烈興趣。但值得注意的是,美國並未專注於塊狀矽技術(如Sunpower公司製造具有全球最高轉換效率的單晶矽電池,預計將在2008年將帶來約12億美元收入)。

隨著強制收購電價系統的導入,德國太陽光電系統的安裝率也更為普及。德國國內的太陽能電池和模組生產每年都成倍成長。德國最主要的太陽能電池製造廠商Q-Cell公司正為德國國內和全球市場提供了塊狀矽模組。但由於體認到非塊狀矽技術的重要性後,該公司也透過合併與收購,致力於為各種薄膜太陽光電技術進行投資。

日本宣稱其目標在於成為一個能源獨立且能持續自給自足的國家,同時也期望成為全球太陽光電發電領域的主導國。日本所生產的太陽能電池已佔全球一半的產量,執全球產能之牛耳。雖然日本主要生產的是塊狀矽太陽能電池(夏普和三洋是主要供應商),但日本也生產薄膜電池產品,並計畫擴充鐘淵化學(Kaneka)製造的非晶薄膜電池和殼牌石油(Showa Shell)公司所製造的CIGS太陽能電池產能。

關注IP議題

由於業界主要的關注焦點都在增加產能以創造營收,因而目前鮮少顧及智慧財產權(IP)方面的議題。不過也有一些研究領域展開了研發相關IP的行動,包括改善初始材料以增加遷移率,以及改進介面工程來強化光散射與反射(增加吸收)。同時,也改善了組成薄膜的各層間之附著力,以增加遷移率和轉換效率。

強制收購電價系統和其它形式的補貼已逐年減少,創新技術將以更快速度出現,並因而形成不同技術之間的差異化。屆時,這些差異化技術對於一家公司的成功扮演著舉舉足輕重的作用。

藉由仔細的評估與研究專利申請,可在某種程度上衡量創新行動與關注焦點;目前最普遍採用的觀點是‘專利速度’(patent velocity),或謂IP提交速率。在太陽光電領域,過去十年來大量的薄膜專利申請數目正清楚地說明了薄膜太陽光電技術是一項重要的關注焦點。

就像半導體產業一樣,為了因應新進的財團們為該領域的先驅廠商提出更多挑戰,保護並強化一己的競爭優勢將是當務之急。

可以確定的是,幾乎每家大型半導體製造商都擁有著某方面的太陽能計劃,並正評估充份利用其製造經驗和精簡資產的相關策略。隨著業界廠商們以更穩健的發展藍圖邁向‘grid parity’的目標,並累積IP資產作為後盾,以強化其技術優勢,太陽光電產業發展可望更為穩健與鞏固。

同時,太陽光電產業將在未來幾年體驗蜜月期所帶來的各種好處。

圖1:一個薄膜α-Si電池包含一個p型薄層、一層厚的無摻雜層和較厚的n型層。來自n層的過剩電子被摻雜於p層中,構成了一個10<sup>4</sup>V/cm級的電場。
圖1:一個薄膜α-Si電池包含一個p型薄層、一層厚的無摻雜層和較厚的n型層。來自n層的過剩電子被摻雜於p層中,構成了一個104V/cm級的電場。

圖2: Kaneka公司α-Si太陽能電池的TEM剖面圖。
圖2: Kaneka公司α-Si太陽能電池的TEM剖面圖。

作者:John Boyd

技術分析師

Semiconductor Insights





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