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太陽能電池金牌戰 台灣能奪冠?
太陽世代 台灣拔冠

【作者: 王岫晨】   2010年12月13日 星期一

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根據歐盟所公佈的最新全球太陽能電池現況報告指出,2009年全球的太陽能電池產能為11.5GW,年成長為56%。觀察近五年內,太陽能電池年產量成長最快的是台灣與中國大陸,加起來佔全球50%比重。這也代表台灣已經躍升成為全球第二大的太陽能電池製造重鎮,至於中國大陸則是全球產能第一。


宇通光能董事長暨執行長蔡進耀表示,目前太陽能電池業界評估,包括美國、歐洲和新興市場,都將為全球下一波太陽光電市場的成長提供重要能量。蔡進耀認為,目前台灣市場雖然產能落後大陸,但由於台灣的代工角色在全球具有舉足輕重的地位,角色可說越來越重要,因此未來非常有機會超越大陸,成為全球第一。


蔡進耀說,其實台灣是全球太陽能電池的生產大國,但目前台灣本地的安裝率卻不大,因此未來非常需要透過政府的政策支持,來提高安裝率,政府對於台灣太陽能電池產業的未來發展,扮演非常重要的角色。另一方面,台灣由於與中國廠商在PV產業上,角色互補性很高,台灣廠商對於電池品質與技術能力較強,大陸廠商則著重於晶圓與模組的製造,因此一旦兩岸合作強攻太陽能電池產業,未來在全球市佔率上,將會成為其他國家非常懼怕的對手。


PV發電成本近傳統發電

美國國家半導體亞太區核心市場業務發展總監張耀強則指出,發電裝置架構易受實際環境影響,只要小小的阻礙就會導致發電量大幅下跌。目前採用的太陽能發電裝置架構很易受實際的作業環境影響,只要有極細小的物體遮擋陽光,例如只要幾塊電池板有陰影或樹葉遮蔽,整個系統的發電量就會不成比例地大幅下跌。新安裝的太陽能系統可能只有少部分電池板被遮蔽,但假以時日遮蔽的面積就會越來越大,若不加以改善,問題會日趨嚴重。


此外,張耀強也認為,開發太陽能發電系統的廠商,過去只顧及改善其中的製程技術,希望可以藉此提高太陽能電池板的效率,以致電源管理架構一直備受忽略,使這方面的技術仍然停留在較落後的階段。


張耀強說,目前太陽能的成本已經非常接近Grid Parity,Grid Parity指的是太陽能發電成本與傳統發電成本相當。由於目前兩者的成本如此接近,因此預計太陽能發電裝置將會更普及,發展前景會更為璀璨。


CIGS進展空間大 廠商放手一搏

硒化銅銦鎵(CIGS)為薄膜太陽能電池的一種,其轉換效率在所有薄膜太陽能電池中為最佳。CIGS不僅可使用軟性基板,若與矽晶太陽能電池相比,也只需少部份矽原料,轉換效率最高可達20%。CIGS在生產過程中所消耗的能源,僅為傳統矽晶太陽能電池的一半,由於具有較高光電轉換效率和低成本等優勢,因而被市場看好其未來的發展性。


新能光電顧問藍崇文博士說,目前CIGS仍在研發階段,雖然有多種不同的製程,但各有不同問題,尚未有主流製程的出現。而且業界對於CIGS材料的研究,也不如矽晶材料深入,因此未來CIGS太陽能技術仍有很大的進展空間,但這也讓更多廠商都有放手一搏的機會。


而在今年的4月6日,台灣CIGS產業聯盟正式成立,其成員包含台積電、友達、均豪、光洋、旺能、正峰新能源、新能等數十家上中下游廠商,範圍涵蓋材料端、製程端、設備端及系統端,幅原十分遼闊。


台灣廠商藉由CIGS發光

台灣投入CIGS的業者中,以錸德轉投資的太陽海進度最快。錸德早在2008年10月便與德國玻璃廠Scheuten合資設立名為太陽海的新公司,切入CIGS領域,這是台灣第一家CIGS製造廠。該公司已在今年導入第一條30MW產線開始試產和調整良率,最快將在今年下半年產量。太陽海除積極調整良率,也將領域延伸至CIGS設備關鍵技術,未來將整合錸德集團在太陽能事業的佈局,例如碩禾的導電漿、國碩的太陽能矽晶圓長晶,以及錸德的太陽能模組等。


至於台積電、昇陽也大步前進CIGS領域。台積電透過與美商Stion策略聯盟,由Stion提供技術,台積電負責生產,預計五年後導入次世代太陽能技術,目標是成為全球產能前五大的PV廠。台積電認為,CIGS因低成本等優勢,成長率將最高,到2015年的年複合成長率將達115%。昇陽則透過轉投資的新能光電,引進德商Centrotherm機台技術,目前已導入第一條35MW產線。


CIGS技術具轉換率高、成本低廉等優勢,未來有機會取代傳統矽晶太陽能電池,成為主流。而經濟部也看好CIGS前景,積極整合國內法人與業界科專計畫,全力扶持台灣CIGS產業,打造台灣自主技術,讓更多台灣廠商在未來的太陽能世代能發光發熱。


《圖一 宇通光能董事長暨執行長蔡進耀說,台灣是太陽能電池的生產大國,但本地安裝率卻不大,因此未來非常需要透過政府的政策支持,來提高安裝率。》
《圖一 宇通光能董事長暨執行長蔡進耀說,台灣是太陽能電池的生產大國,但本地安裝率卻不大,因此未來非常需要透過政府的政策支持,來提高安裝率。》

未來能源 CIGS不可或缺

觀察未來全球太陽能市場,最便宜的能源才將成為未來主流。CIGS則是未來能源發展上不可或缺的一環。由於看好CIGS 薄膜太陽能電池發展,許多國際知名廠商也投入此領域,如IBM、Google、Honda等。台灣則有昇陽科技轉投資的新能、與錸德轉投資的太陽海等。


CIGS 薄膜太陽能電池的結構,與非晶型矽太陽能電池主要的差別在於,光電層與導電玻璃間多了一道緩衝層(buffer layer),這層緩衝層的材質多為硫化鉻(CdS)。由於其載體能使用可撓性材質,因此也可使用roll-to-roll製程,提高量產效率。


目前CIGS的光電轉換效率,最高可以達到19.9%,這紀錄是由美國的國家再生能源實驗室所達成,使用的技術是透過調整CIGS的表面來達成。在所有的薄膜太陽能電池中,CIGS的最高光電轉換效率,比起CdTe的15%與多晶矽的10.2%都還要高出許多。


CIGS的效率雖然沒辦法達到單晶矽的24.7%,但成本卻比單晶矽低上更多。CIGS能以多晶的形式,直接沈積到塗佈有鉬的玻璃板上,省去單晶矽形成大型晶體所需的大量能源成本。除此之外,CIGS也擁有可撓性、可透視及低製造成本等優點。更重要的是,CIGS擁有更廣的光波吸收頻寬,因此單日可轉換的電能也更多。


美國、日本及歐洲廠商均積極佈局CIGS產業,台灣廠商除了太陽海之外,還有正在建廠的台積電與美國薄膜太陽能電池模組廠Stion技術生產合作、綠陽光電以自有技術導入30MW,昇陽轉投資的新能光電與德國Centrotherm簽訂的Turnkey Solutions,目前35MW產線也正在導入中。


專家指出,比較多晶矽和CIGS薄膜太陽能的生產過程可發現,CIGS不像多晶矽,在產業鏈上中下游分散項目不僅非常多,而且不平衡。CIGS除了材料的使用不同,尚具有兩大特徵,一是其光電轉換層厚度能薄至數μm,除可降低材料成本,同時還可節省製造時所投入之能源。而光電轉換層一旦變薄,CIGS系材料的光吸收能力也會變得相當高。由於可以達到高效率與低成本的特性,CIGS未來勝出的機率大增。


(表一) CIGS特色分析

優於其他薄膜太陽能光電條件:

優於單晶太陽能光電條件:

  1. 光電轉換效率最高
  2. 抗輻射特性良好
  3. 穩定性較高
  4. 較無量產阻礙問題
  5. 無環境污染的問題
  6. 無法克服劣質P型吸收層歐姆接點
  1. 製程所需的能源較低
  2. 製作成本較低
  3. 在大面積的元件有較高的效率
  4. 量產的成品良率較高
  5. 應用的範圍較廣。(如塑膠聚合物、錫箔、玻璃基板、不鏽鋼等可撓基板)

HCPV成台灣下一波發展重點

能源效率坐四望六

太陽能產業吸引國內外廠商積極投入,產業發展快速,且台灣也逐漸擠身全球前幾大發展國家之列。而近期再生能源發展條例通過後,不但吸引更多台灣廠商積極投入,也無形中加速了太陽能產業的發展。其中極具發展潛力的HCPV(高聚光型太陽能系統),因具有節省電池原料、降低發電成本和維持高發電效率的優點,非常適合用於太陽能發電場之設置,勢必將成為台灣太陽能產業下一波發展重點。


晶泰科技執行長Ray Lin指出,HCPV以節省電池原料、降低發電成本和維持高發電效率等優點作為訴求點,能滿足做為太陽能發電廠設置之需求,其發電效率目前在三重接面的情況下已可達到最高42.3%,比起矽晶太陽能電池最高的25%幾乎高出兩倍之多,且未來更可能達到理論值的68%。如此坐四成望六成的高發電效率,幾乎能讓乾淨能源的願景真的實現,因此已經逐漸受到世界大廠看好。


據報導顯示,到了2020年,HCPV每度發電成本可降至新台幣3元以下,這幾乎可與傳統石化能源相抗衡。而到了2012年,HCPV的系統建置成本也能低於矽晶平板型發電系統,其已具備產業化潛力。


Ray Lin說,HCPV並非全新的太陽能電池技術,早在過去美國的人造衛星上便已開始使用這種發電技術,只不過都僅限於航太用途,市場規模非常小,日本也曾發展過該技術。台灣目前則是致力於發展地面用HCPV太陽電池,其高聚光效率比起過去提高約500倍,不僅技術層級與美日技術相仿,未來成本也將進一步降低,加上其效率目前已達矽晶太陽電池的兩倍,未來還將更為提高。加上許多HCPV人才陸續回到台灣貢獻一己之力,只要台灣能掌握HCPV技術,未來肯定將超越歐美,取得HCPV產業先機。


HCPV六年供應一核電廠電力

台灣自從2009年6月通過「再生能源發展條例」之後,如何將商機帶進台灣,並讓再生能源的發展成為全民共識,已經成為重要的課題。從台灣適合發展的產業型態來觀察,太陽能電池當然是最具產業效益的再生能源,因為台灣的半導體和面板廠商都可以利用現有的技術跨入該領域。至於LED廠商,更因為同樣使用Ⅲ-Ⅴ族材料,更能快速導入HCPV(高效率聚光型太陽能發電系統)領域當中。


交通大學光電系教授紀國鐘指出,目前單晶矽太陽能板的轉換效率最多只能達到22%,HCPV卻已可達到40%,這對於太陽能電廠的應用上極具優勢。歐洲已有發電業者以HCPV來建置太陽能電廠,而台灣許多LED廠,則已經準備好要切入HCPV的生產與出口。


紀國鐘說,發展HCPV對台灣的優點非常多,最大的優點就是可以建置HCPV電廠來供電,這在台灣的電子或其它工業產品出口時,可減少被歐盟或其它國家課徵碳關稅的問題。碳關稅目前1噸碳約在5~30美元間波動,未來的價格更將持續高漲。


紀國鐘表示,一座100MWp的HCPV電廠,大概一年半便可完工進行供電。且如果效果不錯,馬上可以立即興建第二座200MWp的電廠,如此在六年內,台灣就可蓋出1GWp的HCPV電廠,等同於一座核電廠的發電量。


紀國鐘認為,目前台灣無法自立發展核電產業,都是以整廠輸入的型態向國外購買,包括設計與機台,都必須經過外國認證。因此,台灣有更大的需求來自力發展HCPV電廠,如此從設計研發、生產到製造都可以自己完成,不必仰賴國外廠商來供應。


《圖二 GT Solar市場與溝通部門總監Jeffery Nestel-Patt說,儘管其他具有潛力的太陽電池技術不斷冒出頭,但至少五年內都難以威脅多晶矽的主流地位。》
《圖二 GT Solar市場與溝通部門總監Jeffery Nestel-Patt說,儘管其他具有潛力的太陽電池技術不斷冒出頭,但至少五年內都難以威脅多晶矽的主流地位。》

DSSC挾透明可撓特性強出頭

首波專攻消費電子

儘管太陽能電池尚未真正普及到大眾的生活裡,然而技術的演進已經來到了第三代太陽能電池。第三代太陽電池也就是有機太陽電池,和現在一般市售的矽太陽電池有所不同,其基板通常是透光導電玻璃基板,也可以是透明且可彎曲的有機聚合物膜片(polymer foil)、玻璃片或有機聚合膜上塗有一層可讓太陽光穿透,且可導電的薄透明導電氧化物(TCO)薄膜。第三代太陽電池又以DSSC(染料敏化太陽電池)為代表。


工研院綠能與環境研究所下世代太陽電池研究組組長蔡松雨指出,DSSC未來有機會發展成為第三代太陽能電池的主流技術,主因在於DSSC具備原料成本便宜、且取得容易的發展利基。DSSC是以二氧化鈦(TiO2)為主要材料,完全不受矽原料短缺的影響,同時生產環境也不須像矽晶圓或薄膜太陽能電池,必須在無塵室內進行作業。DSSC因製程簡易、成本低廉,且能源回收時間短,只需6個月,和單晶矽需2~10年相比,有非常明顯的優勢。


蔡松雨說,矽晶太陽能和薄膜太陽能的發展訴求,是以大片太陽能板或與大面積建築物結合進行光能收集轉換。DSSC太陽能電池則是以結合各項民生用品的個人化應用為主,例如結合消費者常使用的外套、皮包、背包等成為行動能源供應源,或者作為可攜式的手機充電器等,目的在使隨身攜帶的個人物品,都能成為供應太陽能發電的基礎配件。日本富士總研預估到了2014年,DSSC市場將達235MW,產值2億美元。


蔡松雨認為,DSSC製程簡單成本低廉,且製作材料不含有毒物質,對環境也較為友善。由於產品具有可撓性及可透視性,且累積發電量的表現也較佳,因此應用範圍相對廣泛。至於未來的發展性,短期內將以結合消費性電子產品為主,中長期則會陸續往戶外應用延伸,與其他太陽電池進行PK戰。


《圖三 美國國家半導體亞太區核心市場業務發展總監張耀強說,目前太陽能成本已經與傳統發電成本相當,因此預計太陽能發電裝置將會更普及。》
《圖三 美國國家半導體亞太區核心市場業務發展總監張耀強說,目前太陽能成本已經與傳統發電成本相當,因此預計太陽能發電裝置將會更普及。》

多晶矽PV主流地位難撼動

儘管太陽能電池市場上,各種技術蓬勃發展也彼此競爭,然而許多新出頭的太陽能電池技術儘管具有很高的未來發展性,目前的市佔率也都僅是九牛一毛而已。目前兩類最主流的太陽能電池,一類是矽太陽電池,包括單晶矽(sc-Si)、多晶矽(mc-Si)兩種,僅矽太陽能電池就佔去整個市場的93%比重。至於另一類的薄膜太陽能電池,主要包括非晶體矽(a-Si,以不同的形態表現的矽)、銅銦鎵硒(CIGS)和碲化鎘(CdTe),薄膜則佔了約7%的比重。


GT Solar市場與溝通部門總監Jeffery Nestel-Patt指出,多晶矽太陽能電池目前才是太陽電池的主流技術,儘管其他具有潛力的太陽電池技術不斷冒出頭,在未來幾年也都會有明顯的市場成長,但至少五年內尚難威脅多晶矽的主流地位。


Jeffery說,太陽能產業對多晶矽的需求不會間斷,將持續成長,這也將為相關的設備廠商持續帶來商機,例如GT Solar用於生產多晶矽和多晶長晶爐的設備在市場上便非常搶手,在全球太陽能多晶長晶爐市場有約八成市佔率。


結語

專家提醒,台灣發展太陽能產業,由於垂直整合能力與中國尚有落差,因此發展策略必須與中國做出區隔(中國為目前全球PV產能第一的國家)。此外,台灣的太陽能光電產品大都是外銷國際,內銷少,這是由於行政障礙和台電收購太陽能電價所造成的問題,未來還需要進一步克服。


太陽能電池不論是多晶矽、薄膜、HCPV或DSSC,各種技術各有優勢,彼此間也會競爭。台灣有絕佳的條件發展太陽能,廠商只要掌握本身所擅長的技術投入發展,相信台灣很快能成為全球太陽能電池產值第一的國家。


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