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太阳能电池金牌战 台湾能夺冠?
太阳世代 台湾拔冠

【作者: 王岫晨】2010年12月13日 星期一

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根据欧盟所公布的最新全球太阳能电池现况报告指出,2009年全球的太阳能电池产能为11.5GW,年成长为56%。观察近五年内,太阳能电池年产量成长最快的是台湾与中国大陆,加起来占全球50%比重。这也代表台湾已经跃升成为全球第二大的太阳能电池制造重镇,至于中国大陆则是全球产能第一。


宇通光能董事长暨执行长蔡进耀表示,目前太阳能电池业界评估,包括美国、欧洲和新兴市场,都将为全球下一波太阳光电市场的成长提供重要能量。蔡进耀认为,目前台湾市场虽然产能落后大陆,但由于台湾的代工角色在全球具有举足轻重的地位,角色可说越来越重要,因此未来非常有机会超越大陆,成为全球第一。


蔡进耀说,其实台湾是全球太阳能电池的生产大国,但目前台湾本地的安装率却不大,因此未来非常需要透过政府的政策支持,来提高安装率,政府对于台湾太阳能电池产业的未来发展,扮演非常重要的角色。另一方面,台湾由于与中国厂商在PV产业上,角色互补性很高,台湾厂商对于电池质量与技术能力较强,大陆厂商则着重于晶圆与模块的制造,因此一旦两岸合作强攻太阳能电池产业,未来在全球市占率上,将会成为其他国家非常惧怕的对手。


PV发电成本近传统发电

美国国家半导体亚太区核心市场业务发展总监张耀强则指出,发电装置架构易受实际环境影响,只要小小的阻碍就会导致发电量大幅下跌。目前采用的太阳能发电装置架构很易受实际的作业环境影响,只要有极细小的物体遮挡阳光,例如只要几块电池板有阴影或树叶遮蔽,整个系统的发电量就会不成比例地大幅下跌。新安装的太阳能系统可能只有少部分电池板被遮蔽,但假以时日遮蔽的面积就会越来越大,若不加以改善,问题会日趋严重。


此外,张耀强也认为,开发太阳能发电系统的厂商,过去只顾及改善其中的制程技术,希望可以藉此提高太阳能电池板的效率,以致电源管理架构一直备受忽略,使这方面的技术仍然停留在较落后的阶段。


张耀强说,目前太阳能的成本已经非常接近Grid Parity,Grid Parity指的是太阳能发电成本与传统发电成本相当。由于目前两者的成本如此接近,因此预计太阳能发电装置将会更普及,发展前景会更为璀璨。


CIGS进展空间大 厂商放手一搏

硒化铜铟镓(CIGS)为薄膜太阳能电池的一种,其转换效率在所有薄膜太阳能电池中为最佳。CIGS不仅可使用软性基板,若与硅晶太阳能电池相比,也只需少部份硅原料,转换效率最高可达20%。CIGS在生产过程中所消耗的能源,仅为传统硅晶太阳能电池的一半,由于具有较高光电转换效率和低成本等优势,因而被市场看好其未来的发展性。


新能光电顾问蓝崇文博士说,目前CIGS仍在研发阶段,虽然有多种不同的制程,但各有不同问题,尚未有主流制程的出现。而且业界对于CIGS材料的研究,也不如硅晶材料深入,因此未来CIGS太阳能技术仍有很大的进展空间,但这也让更多厂商都有放手一搏的机会。


而在今年的4月6日,台湾CIGS产业联盟正式成立,其成员包含台积电、友达、均豪、光洋、旺能、正峰新能源、新能等数十家上中下游厂商,范围涵盖材料端、制程端、设备端及系统端,幅原十分辽阔。


台湾厂商藉由CIGS发光

台湾投入CIGS的业者中,以铼德转投资的太阳海进度最快。铼德早在2008年10月便与德国玻璃厂Scheuten合资设立名为太阳海的新公司,切入CIGS领域,这是台湾第一家CIGS制造厂。该公司已在今年导入第一条30MW产线开始试产和调整良率,最快将在今年下半年产量。太阳海除积极调整良率,也将领域延伸至CIGS设备关键技术,未来将整合铼德集团在太阳能事业的布局,例如硕禾的导电浆、国硕的太阳能硅晶圆长晶,以及铼德的太阳能模块等。


至于台积电、升阳也大步前进CIGS领域。台积电透过与美商Stion策略联盟,由Stion提供技术,台积电负责生产,预计五年后导入次世代太阳能技术,目标是成为全球产能前五大的PV厂。台积电认为,CIGS因低成本等优势,成长率将最高,到2015年的年复合成长率将达115%。升阳则透过转投资的新能光电,引进德商Centrotherm机台技术,目前已导入第一条35MW产线。


CIGS技术具转换率高、成本低廉等优势,未来有机会取代传统硅晶太阳能电池,成为主流。而经济部也看好CIGS前景,积极整合国内法人与业界科专计划,全力扶持台湾CIGS产业,打造台湾自主技术,让更多台湾厂商在未来的太阳能世代能发光发热。


《图一 宇通光能董事长暨执行长蔡进耀说,台湾是太阳能电池的生产大国,但本地安装率却不大,因此未来非常需要透过政府的政策支持,来提高安装率。》
《图一 宇通光能董事长暨执行长蔡进耀说,台湾是太阳能电池的生产大国,但本地安装率却不大,因此未来非常需要透过政府的政策支持,来提高安装率。》

未来能源 CIGS不可或缺

观察未来全球太阳能市场,最便宜的能源才将成为未来主流。CIGS则是未来能源发展上不可或缺的一环。由于看好CIGS 薄膜太阳能电池发展,许多国际知名厂商也投入此领域,如IBM、Google、Honda等。台湾则有升阳科技转投资的新能、与铼德转投资的太阳海等。


CIGS 薄膜太阳能电池的结构,与非晶型硅太阳能电池主要的差别在于,光电层与导电玻璃间多了一道缓冲层(buffer layer),这层缓冲层的材质多为硫化铬(CdS)。由于其载体能使用可挠性材质,因此也可使用roll-to-roll制程,提高量产效率。


目前CIGS的光电转换效率,最高可以达到19.9%,这纪录是由美国的国家再生能源实验室所达成,使用的技术是透过调整CIGS的表面来达成。在所有的薄膜太阳能电池中,CIGS的最高光电转换效率,比起CdTe的15%与多晶硅的10.2%都还要高出许多。


CIGS的效率虽然没办法达到单晶硅的24.7%,但成本却比单晶硅低上更多。CIGS能以多晶的形式,直接沈积到涂布有钼的玻璃板上,省去单晶硅形成大型晶体所需的大量能源成本。除此之外,CIGS也拥有可挠性、可透视及低制造成本等优点。更重要的是,CIGS拥有更广的光波吸收带宽,因此单日可转换的电能也更多。


美国、日本及欧洲厂商均积极布局CIGS产业,台湾厂商除了太阳海之外,还有正在建厂的台积电与美国薄膜太阳能电池模块厂Stion技术生产合作、绿阳光电以自有技术导入30MW,升阳转投资的新能光电与德国Centrotherm签订的Turnkey Solutions,目前35MW产线也正在导入中。


专家指出,比较多晶硅和CIGS薄膜太阳能的生产过程可发现,CIGS不像多晶硅,在产业链上中下游分散项目不仅非常多,而且不平衡。CIGS除了材料的使用不同,尚具有两大特征,一是其光电转换层厚度能薄至数μm,除可降低材料成本,同时还可节省制造时所投入之能源。而光电转换层一旦变薄,CIGS系材料的光吸收能力也会变得相当高。由于可以达到高效率与低成本的特性,CIGS未来胜出的机率大增。


(表一) CIGS特色分析

优于其他薄膜太阳能光电条件:

优于单晶太阳能光电条件:

  1. 光电转换效率最高
  2. 抗辐射特性良好
  3. 稳定性较高
  4. 较无量产阻碍问题
  5. 无环境污染的问题
  6. 无法克服劣质P型吸收层奥姆接点
  1. 制程所需的能源较低
  2. 制作成本较低
  3. 在大面积的组件有较高的效率
  4. 量产的成品良率较高
  5. 应用的范围较广。(如塑料聚合物、锡箔、玻璃基板、不锈钢等可挠基板)

HCPV成台湾下一波发展重点

能源效率坐四望六

太阳能产业吸引国内外厂商积极投入,产业发展快速,且台湾也逐渐挤身全球前几大发展国家之列。而近期再生能源发展条例通过后,不但吸引更多台湾厂商积极投入,也无形中加速了太阳能产业的发展。其中极具发展潜力的HCPV(高聚光型太阳能系统),因具有节省电池原料、降低发电成本和维持高发电效率的优点,非常适合用于太阳能发电场之设置,势必将成为台湾太阳能产业下一波发展重点。


晶泰科技执行长Ray Lin指出,HCPV以节省电池原料、降低发电成本和维持高发电效率等优点作为诉求点,能满足做为太阳能发电厂设置之需求,其发电效率目前在三重接面的情况下已可达到最高42.3%,比起硅晶太阳能电池最高的25%几乎高出两倍之多,且未来更可能达到理论值的68%。如此坐四成望六成的高发电效率,几乎能让干净能源的愿景真的实现,因此已经逐渐受到世界大厂看好。


据报导显示,到了2020年,HCPV每度发电成本可降至新台币3元以下,这几乎可与传统石化能源相抗衡。而到了2012年,HCPV的系统建置成本也能低于硅晶平板型发电系统,其已具备产业化潜力。


Ray Lin说,HCPV并非全新的太阳能电池技术,早在过去美国的人造卫星上便已开始使用这种发电技术,只不过都仅限于航天用途,市场规模非常小,日本也曾发展过该技术。台湾目前则是致力于发展地面用HCPV太阳电池,其高聚光效率比起过去提高约500倍,不仅技术层级与美日技术相仿,未来成本也将进一步降低,加上其效率目前已达硅晶太阳电池的两倍,未来还将更为提高。加上许多HCPV人才陆续回到台湾贡献一己之力,只要台湾能掌握HCPV技术,未来肯定将超越欧美,取得HCPV产业先机。


HCPV六年供应一核电厂电力

台湾自从2009年6月通过「再生能源发展条例」之后,如何将商机带进台湾,并让再生能源的发展成为全民共识,已经成为重要的课题。从台湾适合发展的产业型态来观察,太阳能电池当然是最具产业效益的再生能源,因为台湾的半导体和面板厂商都可以利用现有的技术跨入该领域。至于LED厂商,更因为同样使用Ⅲ-Ⅴ族材料,更能快速导入HCPV(高效率聚光型太阳能发电系统)领域当中。


交通大学光电系教授纪国钟指出,目前单晶硅太阳能板的转换效率最多只能达到22%,HCPV却已可达到40%,这对于太阳能电厂的应用上极具优势。欧洲已有发电业者以HCPV来建置太阳能电厂,而台湾许多LED厂,则已经准备好要切入HCPV的生产与出口。


纪国钟说,发展HCPV对台湾的优点非常多,最大的优点就是可以建置HCPV电厂来供电,这在台湾的电子或其它工业产品出口时,可减少被欧盟或其它国家课征碳关税的问题。碳关税目前1吨碳约在5~30美元间波动,未来的价格更将持续高涨。


纪国钟表示,一座100MWp的HCPV电厂,大概一年半便可完工进行供电。且如果效果不错,马上可以立即兴建第二座200MWp的电厂,如此在六年内,台湾就可盖出1GWp的HCPV电厂,等同于一座核电厂的发电量。


纪国钟认为,目前台湾无法自立发展核电产业,都是以整厂输入的型态向国外购买,包括设计与机台,都必须经过外国认证。因此,台湾有更大的需求来自力发展HCPV电厂,如此从设计研发、生产到制造都可以自己完成,不必仰赖国外厂商来供应。


《图二 GT Solar市场与沟通部门总监Jeffery Nestel-Patt说,尽管其他具有潜力的太阳电池技术不断冒出头,但至少五年内都难以威胁多晶硅的主流地位。》
《图二 GT Solar市场与沟通部门总监Jeffery Nestel-Patt说,尽管其他具有潜力的太阳电池技术不断冒出头,但至少五年内都难以威胁多晶硅的主流地位。》

DSSC挟透明可挠特性强出头

首波专攻消费电子

尽管太阳能电池尚未真正普及到大众的生活里,然而技术的演进已经来到了第三代太阳能电池。第三代太阳电池也就是有机太阳电池,和现在一般市售的硅太阳电池有所不同,其基板通常是透光导电玻璃基板,也可以是透明且可弯曲的有机聚合物膜片(polymer foil)、玻璃片或有机聚合膜上涂有一层可让太阳光穿透,且可导电的薄透明导电氧化物(TCO)薄膜。第三代太阳电池又以DSSC(染料敏化太阳电池)为代表。


工研院绿能与环境研究所下世代太阳电池研究组组长蔡松雨指出,DSSC未来有机会发展成为第三代太阳能电池的主流技术,主因在于DSSC具备原料成本便宜、且取得容易的发展利基。DSSC是以二氧化钛(TiO2)为主要材料,完全不受硅原料短缺的影响,同时生产环境也不须像硅晶圆或薄膜太阳能电池,必须在无尘室内进行作业。DSSC因制程简易、成本低廉,且能源回收时间短,只需6个月,和单晶硅需2~10年相比,有非常明显的优势。


蔡松雨说,硅晶太阳能和薄膜太阳能的发展诉求,是以大片太阳能板或与大面积建筑物结合进行光能收集转换。DSSC太阳能电池则是以结合各项民生用品的个人化应用为主,例如结合消费者常使用的外套、皮包、背包等成为行动能源供应源,或者作为可携式的手机充电器等,目的在使随身携带的个人物品,都能成为供应太阳能发电的基础配件。日本富士总研预估到了2014年,DSSC市场将达235MW,产值2亿美元。


蔡松雨认为,DSSC制程简单成本低廉,且制作材料不含有毒物质,对环境也较为友善。由于产品具有可挠性及可透视性,且累积发电量的表现也较佳,因此应用范围相对广泛。至于未来的发展性,短期内将以结合消费性电子产品为主,中长期则会陆续往户外应用延伸,与其他太阳电池进行PK战。


《图三 美国国家半导体亚太区核心市场业务发展总监张耀强说,目前太阳能成本已经与传统发电成本相当,因此预计太阳能发电装置将会更普及。》
《图三 美国国家半导体亚太区核心市场业务发展总监张耀强说,目前太阳能成本已经与传统发电成本相当,因此预计太阳能发电装置将会更普及。》

多晶硅PV主流地位难撼动

尽管太阳能电池市场上,各种技术蓬勃发展也彼此竞争,然而许多新出头的太阳能电池技术尽管具有很高的未来发展性,目前的市占率也都仅是九牛一毛而已。目前两类最主流的太阳能电池,一类是硅太阳电池,包括单晶硅(sc-Si)、多晶硅(mc-Si)两种,仅硅太阳能电池就占去整个市场的93%比重。至于另一类的薄膜太阳能电池,主要包括非晶体硅(a-Si,以不同的形态表现的硅)、铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe),薄膜则占了约7%的比重。


GT Solar市场与沟通部门总监Jeffery Nestel-Patt指出,多晶硅太阳能电池目前才是太阳电池的主流技术,尽管其他具有潜力的太阳电池技术不断冒出头,在未来几年也都会有明显的市场成长,但至少五年内尚难威胁多晶硅的主流地位。


Jeffery说,太阳能产业对多晶硅的需求不会间断,将持续成长,这也将为相关的设备厂商持续带来商机,例如GT Solar用于生产多晶硅和多晶长晶炉的设备在市场上便非常抢手,在全球太阳能多晶长晶炉市场有约八成市占率。


结语

专家提醒,台湾发展太阳能产业,由于垂直整合能力与中国尚有落差,因此发展策略必须与中国做出区隔(中国为目前全球PV产能第一的国家)。此外,台湾的太阳能光电产品大都是外销国际,内销少,这是由于行政障碍和台电收购太阳能电价所造成的问题,未来还需要进一步克服。


太阳能电池不论是多晶硅、薄膜、HCPV或DSSC,各种技术各有优势,彼此间也会竞争。台湾有绝佳的条件发展太阳能,厂商只要掌握本身所擅长的技术投入发展,相信台湾很快能成为全球太阳能电池产值第一的国家。


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