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晶矽、薄膜、高聚光互不相讓 !
太陽能量產逆勢看漲

【作者: 鍾榮峯】   2010年12月13日 星期一

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目前可進入量產階段的太陽光電技術,以單/多晶矽、薄膜(Thin Film)以及新興高聚光型(HCPV)三大技術為主,在這三大技術領域中也有許多台灣廠商投入其中。從整體市場佔有率來看,單/多晶矽依舊穩居太陽能市場主流,預估比重佔85%左右,至於薄膜太陽能約佔整體市場的10%,新興的聚光型產品已經有5%的市佔率。量產能力、製程成熟度、轉換效率、採光穩定度、材料和製程成本等因素,是評比多晶矽、薄膜和高聚光型材料太陽能技術應用的主要區分點。


台廠投入可量產太陽能光電技術分類一覽表<製表整理:鍾榮峯>

太陽能技術類別

主要台廠代表

單/多晶矽

茂迪(Motech)、益通(E-Ton)、昱晶(Gintech)、昇陽(Solar Tech)、新日光能源(NSP)、太陽光電(BigSun Energy)、茂矽(Mosel)、達能(Danen)

薄膜

非結晶(A-Si)

富陽光電(Sun Well)、旭能光電(Sunner)、綠能光電(Green Energy)

非微晶堆疊(Micromorph)

宇通光能(Auria Solar)

銅銦鎵硒(CIGS)

綠陽光電(Axuntek)、台積電、友達、錸寶

高聚光型

億芳能源(Everphoton)、華旭環能/華宇光能(Arima)、瀚昱(Compound)、台達電


穩定供應材料是單/多晶矽擴產關鍵

單/多晶矽太陽能技術在量產能力、製程成熟度和製程成本上都具有相當的優勢,不過由於晶矽材料只能吸收到可見光光譜範圍的波長,所以光源轉換效能的成長空間比較小。此外,晶矽材料的溫度係數較高,容易受到溫度變化影響採光效能,日照瓦數的穩定度也因此較低。因此在陰天多雲的氣候變化下,單/多晶矽太陽能面板的採光效能會隨之受限,呈現線性下降的反應。


另一方面,單/多晶矽價格波動幅度過大,矽晶材料廠商也會以庫存方式哄抬市場價格,對於產能滿載的台灣電池和模組廠來說,形成不小的成本壓力。茂迪執行長張秉衡在台灣國際太陽光電論壇發表演講時指出,如何建立長期穩定的晶矽材料供應鏈,是降低單/多晶矽太陽能面板成本的重要關鍵。台灣儘管在今年已經重建太陽能產業的發展契機,不過值得注意的是,在具有高獲利的上游矽晶材料部份,台灣廠商的掌握程度仍舊不足,目前只有福聚太陽能可以量產多晶矽。相較而言,南韓的OCI在短短的三年之內,已經成為全球多晶矽第三大的供應大廠,對於台灣多晶矽太陽能產業發展來說,是個值得注意的警訊。因此垂直整合矽晶原料、電池、模組或逆變器的一條龍生產模式,正逐漸成為台廠單/多晶矽太陽能廠商控制成本的營運方向。


薄膜太陽能技術各有一片天!

薄膜太陽能電池則主要以非晶矽A-Si、非微晶堆疊(Micromorph)和銅銦鎵硒(CIGS)三大類為主,薄膜太陽能面板的透光性比多晶矽來得高,也具有可撓性,且採用強化玻璃材質,相較於單多晶矽太陽能面板,也較不易破裂破碎。相較於單/多晶矽,薄膜太陽能也較不受日照、濕度和遮蔽效應影響。


A-Si量產能力可威脅單/多晶矽

從量產能力來看,目前A-Si和Micromorph都可進入量產階段,A-Si的量產穩定度可達99%,Micromorph大概在90%左右。CIGS剛進入量產階段,產能則仍有待加強,良率也不夠高。旭能光電(SUNNER SOLAR)副董事長歐政豪博士指出,相較於單/多晶矽和高聚光型(HCPV)材料和設備的成本,儘管薄膜太陽能面板的生產設備並不便宜,不過HCPV和多晶矽的材料成本相對較為昂貴,因此薄膜太陽能面板的成本結構仍相對較低。


A-Si製程由於研發時程已有一段時日,材料成本也相對穩定,儘管生產設備也不便宜,整體生產成本相對低廉。整體來看,A-Si薄膜太陽能產品應用具有發展潛力,材料、量產和良率穩定度高且不斷成熟,對於佔主導地位的多晶矽太陽能產品最具威脅性。


CIGS後勢看漲 確立製程標準才能擴產

具備低成本和高轉換效率潛力的銅銦鎵硒(CIGS)製程,也成為薄膜太陽光電領域備受矚目的焦點。綠陽光電、台積電、友達、錸寶等,正積極參與CIGS薄膜太陽能的開發作業。


由於CIGS對於溫度係數較不敏感,可吸收漫射光,因此可吸收的光譜較寬,光吸收的角度沒有單/多晶矽太陽能來的狹窄,因此總發電量較高。另外,不同於其他非晶矽(A-Si)和非微晶堆疊(Micromorph)採用氣體沈積的製程方式,CIGS製程主要可分為真空製程和非真空製程,前者須經過共蒸鍍和濺鍍製程,後者則採用化學電鍍和奈米印刷。真空濺鍍製程可滿足大量量產的需求,成本頗具競爭優勢。


目前CIGS製程主流分成幾大類,也沒有標準產線可以購買,幾乎所有的廠商都是客製化機台,因此產能與產線放大,勢必要考量到機台供應的速度。最關鍵的是,模組面積放大,薄膜太陽能模組均一性控制難度也隨之增加,轉換效率就會跟著模組面積增加而下降,CIGS製程也會面臨相同的問題。值得注意的是,CIGS所需關鍵材料銅銦鎵硒中的銦,屬於高度敏感的稀土原料,能不能獲得穩定的供應來源仍需諸多考量。


正由於目前並沒有標準化的CIGS製程,因此投入CIGS的廠商,一開始必須以一條龍的生產方式,整合開發電池、模組和生產製程設備,初期投入資金壓力相對最高。雖然CIGS薄膜太陽能電池在台積電和友達的加持下聲勢高漲,但是距離量產階段仍有段距離。


綠陽光電董事長李適維進一步表示,CIGS的技術應用從1975年開始,整體理論已經非常完整與穩固,小尺寸實驗室的轉換效率已可突破20%以上,可是大尺寸的商業化量產仍然無法有效落實,主要關鍵在於製程與量產的整合。因此廠商除了需繼續強化大尺寸玻璃基板轉換效率外,在機台與靶材的整合能力也必須快速跟進,而持續擴充新產能更是不可或缺。


目前可量產太陽能光電技術主要特性評比一覽表<製表整理:鍾榮峯>

 

單/多晶矽

薄膜

HCPV

非晶矽

非微晶堆疊

銅銦鎵硒

量產能力

最高

次高

次低

最低

製程成熟度

最高

次高

次低

最低

良率

99%

99%

最低

次低

材料可吸收光譜

可見光

可見光

可見光
紫外光

可見光
紫外光
紅外線

可見光
紫外光
紅外線

材料成本

次高

次高

最高

製程成本

最低

次低

次高

最高

轉換效率

次高

最低

次低

最高

採光穩定度

最低

次低

次高

最高

產品市佔率

最高

次高

次低

次低

最低


薄膜轉換效能低 但成長空間廣

就轉換效能來看,相較於單/多晶矽和高聚光型(HCPV),薄膜太陽能面板的轉換效能較低,目前大概只有7~11%左右,仍是在技術上需要加以克服的地方。其中,A-Si的轉換效能大概只有7%,相較於Micromorph和CIGS而言可說是最低的。


若更深入從三種不同光譜波長吸收的材料特性來看,薄膜太陽能的A-Si製程,只能吸收可見光波長,Micromorph則可吸收較多長波,而CIGS則可吸收從可見光、紫外光和紅外線的三種光譜波長。因此就物理特性來看,CIGS吸收太陽光的效能最高,相對地轉換效能的成長空間最廣,而A-Si薄膜太陽能則會提早面臨轉換效能停滯和效率衰減的天花板效應。


日照採光效能穩定度高

從另一方面來看,薄膜太陽能面板的溫度係數小,單/多晶矽的溫度係數較高,因此薄膜太陽能的轉換效能,較不易受到溫度影響,日照瓦數的穩定度和採光效能,比單/多晶矽面板來得高。CIGS對於溫度係數也較為不敏感,且可吸收漫射光,採光角度也沒有多晶矽來得狹窄,採光效益也具有相當的競爭力。


歐政豪進一步指出,從發電成本和售電營收角度來看,薄膜太陽能面板每一kw單位kw/小時的發電量較高,經過測試結果,可多出33%的發電效能,這可直接有助於降低發電廠的售電成本。另外,薄膜太陽能系統的發電營收也較為容易計算。


薄膜太陽能市場自有一片天

儘管目前薄膜太陽能產品市佔率,佔整體太陽能市場的15%左右,未來5年內仍難以撼動多晶矽太陽能產品的主流地位,不過薄膜太陽能對於多晶矽太陽能產品的威脅性仍是不可小覷。薄膜太陽能面板具有一定的市場利基,除了可應用在BIPV建材與綠建築材料環境外,也可滲透到一般工廠和大賣場頂樓等發電隔熱應用。以往以單/多晶矽面板為主的大型發電廠,也開始廣泛地採用薄膜太陽能面板。薄膜太陽能面板可調配各種色澤,不若單多晶矽以黑色和藍色為主而單調,因此薄膜太陽能面板的應用條件可與單/多晶矽進一步區隔。


HCPV轉換效率高 追日高聚光浮出檯面

高聚光型(HCPV)太陽能技術以前主要集中在國防及太空等高階應用,目前也開始在消費市場嶄露頭角,結合綠能型追日系統設計,目前HCPV實際應用的轉換效率已可達到26%左右。


HCPV主要採用三五族化合物半導體材料,以磊晶技術堆疊,增加光譜吸收範圍,可吸收的光譜波長涵蓋可見光、紫外光和紅外線,相較於晶矽和薄膜太陽能材料來說是最高的,因此轉換效率也是較高的。HCPV主要的三五族聚合物關鍵材料,目前仍是掌握在Spectrolab、Emcore和Azur這3家廠商手上,前兩家是美國公司,最後一家則是德國企業。台灣的晶元光電目前也正在投入開發當中,而禧通(M-COM)則投入砷化鎵磊晶材料技術的研發行列。


與會廠商代表指出,台廠還需要掌握的關鍵材料,包括高聚光型太陽能電池所需的三五族半導體材料和電池,目前也是高度集中在Spectrolab、Emcore和Azur三大家手上,不過台廠晶元光電已經開始切入高聚光型太陽能電池領域。


不過,直接利用三五族化合物半導體進行太陽能發電,材料和製造成本過高,因此藉由較大面積的透鏡或反射鏡,將太陽光聚焦在一小塊電池點上,就可以吸收大面積的光源,結合利用多接面(multi-junction)電池可吸收不同光譜的太陽光,加上追日系統設計,便產生高聚光型HCPV的太陽能電池設備。


HCPV關鍵零組件包括高精密陽光感應器、菲隉爾透鏡和電池接收器,加上電池模組和追日系統。模組也需要搭配高效能散熱設備,才能避免太陽能電池溫度上升、導致轉換效率下降的課題。也因此,HCPV技術門檻相對於晶矽和薄膜太陽能技術來說並不低,因為HCPV必須有效整合材料、光學和機械等三大關鍵技術。


正因為可吸收光譜範圍最廣,因此HCPV適合在離島、日照量高和大電廠等應用環境,HCPV也適合在赤道緯度、非洲、澳洲和中東地區使用。在一定限制的土地利用條件下,HCPV可發揮的能源採集效益是相對較高。目前投入HCPV的台廠以億芳能源(EVERPHOTON)、華宇光能(Arima)和瀚昱能源(CompSolar)為主,台灣的億芳能源已經取得阿布達比標案,也參與高雄路竹電廠的開發作業,並與核研所進一步密切合作。


量產能力是關鍵 太陽能技術比誰氣長!

無論是單/多晶矽、薄膜還是高聚光型太陽能技術,都各有可持續發展的應用領域,目標都是希望能夠建立穩定供應且具市場競爭能力的量產規模。量產規模若要可長可久,是需要透過三種關鍵的技術提昇,來達到降低成本的效果。這三項技術是能源轉換、製程方法以及材料應用。現階段最重要的是降低材料和製程成本,並且有效提高製程良率。不論是哪種技術,相關廠商都開始朝向一條龍的經營模式去整合發展,希望能自主地掌握太陽光電材料製程的供應鏈關鍵。現階段單/多晶矽技術製程仍是主流,但是未來誰會是真正的NO. 1,大家可是都還有機會呢!


@BOX:打造一條龍模式 旭能光電強化矽薄膜太陽能競爭力


旭能光電(SUNNER SOLAR)副董事長歐政豪博士表示,2011年在中科的第二座廠房即可進入量產階段,預計產能可達200mw,同時旭能光電也將進軍北美市場,並繼續鞏固德國、東歐和印度與其他亞洲地區的既有優勢。除了A-Si製程之外,明年旭能光電也計畫切入同樣量產能力較為穩定的Micromorph製程,至於CIGS製程,旭能光電也正在考量投入的可行性。


歐政豪博士透露,在關鍵的薄膜太陽能生產設備部份,旭能光電和日本優貝克(ULVAC)維持相當緊密的合作關係,下一階段ULVAC將和旭能光電在逆變器部份加強合作。這也意味著,旭能光電正朝向一條龍的營運模式演進。


若以1700坪的屋頂面積、裝設容量為306kw的薄膜太陽能面板裝置來看,每年總發電量可達46,2600度,若每度售電單價為12.97元來計算,每月進帳可達50萬元左右。也因此,對於獨立系統的充電設備來說,薄膜太陽能面板是較佳的選擇。這也是為什麼,電動車的充電設備會採用薄膜太陽能面板作為首選的重要原因。


ULVAC也是提供日本太陽能電動車充電站的重要廠商。ULVAC企業客戶支援事業部低碳電網部專門室長葛西俊一表示,日本電動車的薄膜太陽能充電設備,在CHAdeMU協會的規範下,已經建立起統一的充電規格。ULVAC已經推出標準型及快速充電型的薄膜太陽能充電設備,正積極進軍日本電動車市場。


@BOX:綠陽光電成CIGS薄膜太陽能模範生


目前擁有CIGS自主製程能力、且已經實際進入量產階段的綠陽光電(AxunTek),已經完備屏東新廠25MW的產線建置,預計在2011年將繼續完成第二階段擴廠計畫,屆時產能可進一步擴充到100MW。值得注意的是,今年綠陽光電在CIGS的轉換效率已經可達11%,預計明年將可突破12%,預計3年內可達到13%的轉換效能。當到達12%時,年總發電量便將等於晶矽15~16%的年總發電量。綠陽光電預估,未來3至5年,CIGS的總產能可突破2GW以上。


綠陽光電藉由自主選擇最佳化的材料及設備,已經建立起一套完整的CIGS製程技術。綠陽光電董事長李適維指出,綠陽光電目前能夠穩定的掌握大尺寸量產的製程技術,主因在於3年前就投資了一條超過40公分尺寸的批量試產線,將學理上的基礎轉換成實際的量產經驗,並將該製程與機台廠商協同發展專屬機台,能夠順利地穩定大尺寸量產。在這裡,綠陽光電掌握了提高膜層均勻與均溫性的關鍵技術,並且能有效控制材料甚至機台稼動率與良率。這些基礎研究與製程機台整合的經驗,是綠陽光電能夠在最短時間內導入量產的關鍵。


現在綠陽光電也已經取得TUV大雅實驗室的認證,預計明年第1季也將取得UL認證,屆時綠陽光電的CIGS薄膜太陽能產品便擁有雙認證的資格。


面對競爭日益激烈的薄膜太陽能市場,李適維指出,第一階段除了取得雙認證之外,同時也要爭取不同區域不同市場的系統實績裝設,凸顯CIGS在系統端與發電量與傳統技術的差異性。下一階段則配合相關實績數據,爭取歐洲系統客戶與美國市場的認同,銷售目標則以一般系統建案、路燈運用並配合開發BIPV應用為主。


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