薄膜太阳电池知识

薄膜太陽電池即將崛起材網編輯室 /2008.6 前言關於薄膜太陽電池的種類，大致可區分為以矽為主原料的矽薄膜太陽電池、使用化合物的化合物系薄膜太陽電池，以及使用有機染料的有機太陽電池三大類。目前，市場上仍是以技術較為成熟的矽薄膜太陽電池為主流，但面臨著矽原料存量不足致其價格日趨昂貴的隱憂 。 雖然目前薄膜太陽電池的全球市佔率極微 ， 但因其具有節省材料成本 、 重量輕且可大面積製造 ， 甚或可應用其撓曲特性、多彩性及透光性等優點，讓太陽電池的產品應用得以更多元化發展，而受到相當的矚目 ， 並出現積極發展之態勢 。 薄膜太陽電池之所以被看好 ， 除上述原因之外，還當拜太陽光電發電市場興起之賜。據推估 2015 年薄膜太陽電池最大應用市場將會是在建材一體型 BIPV 的建築相關應用上 ， 展現出未來新興清潔能源的重要角色，所以即使是其目前的光電轉換效率偏低，仍被相關業者視為是明日之星，而於近年來紛紛投入大量資金，展開研發。本文僅就當前主流的矽薄膜太陽電池為主，分析市場發展動向與主要廠商在技術發展上的因應之道。市場發展動向若以薄膜太陽電池應用市場大宗的太陽光電發電市場領域中的應用發展來看薄膜太陽電池，根據美國 NanoMarkets 公司於 2007 年 8 月 6 日發表的調查報告內容推估，在太陽光電發電市場中，運用薄膜技術的太陽電池預估將在 2015年佔有其 1/3 的市場比率。該公司預測薄膜太陽電池市場快速崛起，產值將由2007 年的 10 億美元，快速成長至 2015 年達到 72 億美元。另外，從市場價格來看。來自於 2007 年 9 月在美國召開的太陽電池相關展示會上的發表訊息顯示 ， 電池產業分析師及主要太陽電池製造商一致認為在未來兩三年之內，矽材料的供應不足問題將獲得緩解。也因為如此，結晶矽基太陽電池模組將陷入供過於求局面，而會加速其朝向低價格化發展。幾乎就在同一個時材料世界網 www.materialsnet.com.tw -1-期，比結晶矽基製造成本更為低廉的薄膜型太陽電池的生產線，於全球一致齊開，此舉將造成太陽電池整體單價的下滑，致使市場的價格成長趨緩將達 10 年之久。因薄膜型太陽電池的崛起，以歐美為主，引發一場整體太陽電池成本下降的旋風，最早是始自於製造屬薄膜型太陽電池之一的 CdTe 型太陽電池的美國First Solar 公司，其以強勢之低價格，使產量飛躍成長。 First Solar 之所以能推出CdTe 型太陽電池的低價化銷售，關鍵就在其製程。基本上，薄膜矽型需要運轉成本相當高的製造設備，而 First Solar 的 CdTe 型太陽電池卻是採用近接昇華法等簡便的製程而製成。當初， First Solar 面對歐洲針對有害物質所規範的「 RoHS 指令」，雖曾掀起其 Cd 會對環境造成負荷的疑慮 ， 但是在 CdTe 狀態下具有安定性 ， 且 Fast Solar採取於使用後直接從客戶端回收的對策，而獲得問題的解決。但太陽電池的價格從此開始受到 CdTe 型太陽電池相當大的影響。同屬薄膜型的太陽電池製造商，面臨到價格下降的壓力，開始深思需要開發比 CdTe 型太陽電池更低價格的製造技術，並將價格目標定在 1 美元 /W。印度矽薄膜太陽電池製造商 Moser Baer Photo Voltaic 公司對於其能以比CdTe 型更低價格來製造薄膜矽型太陽電池充滿十足信心。該公司最早受到同業矚目的就是其與美國 Applied Materials 公司簽訂薄膜矽型太陽電池製造產線一應由其提供的契約 圖一 。 Moser Baer 主攻生產 2.2 x 2.6m 大型尺寸基板的矽薄膜太陽電池，其產量所具發電能力相當於 75MW/ 年，可望使公用電力規模的建材一體型系統的設置成本，降低約達 20左右。 Moser Baer 的生產計畫若能得以成功，或許將會改變太陽電池廠商的勢力版圖。依據 Moser Baer 的試算， CdTe 型的模組製造成本是 1.28 美元 /W。相對地， Moser Baer 認為使用 2.2 x 2.6m 大型尺寸基板的轉換效率為 7的薄膜型，可以將製造成本下降到 0.96 美元 /W。甚至，若是提高轉換效率為 9的薄膜型，其製造成本還可降低至 0.64 美元 /W。材料世界網 www.materialsnet.com.tw -2-資料來源美國 Applied Materials 公司圖一、名為「 Sun Fab」的矽薄膜太陽電池模組一貫製造產線另外，在屬於另一種薄膜型的 CIGS 型太陽電池方面，美國 NanoSolar公司也如同 Moser Baer一樣，試算出每 W 的製造成本，在轉換效率為 9～ 13，於量產初期可將價格控制在 0.99 美元 /W。未來目標則是下降至 0.5 美元 /W。若就亞洲部分，從堪稱為太陽電池產量居全球領先地位的日本來看。根據Sharp 董事長片山幹雄在 2007年 8 月舉辦的一場記者發表會中所提預測， 2013年之前，薄膜矽型和結晶矽基太陽電池的發展將呈現齊頭並進之姿，但 2013 年以後矽薄膜太陽電池將成為發展主流 。 之所以如此預測是因為結晶矽材料的製造和矽原料的取得都日趨困難，導使結晶矽基太陽電池的成本無法下降，而阻礙其未來發展所致。綜合上述全球太陽電池相關業者對太陽電池產業未來發展的看法，得知由於矽原料取得不易且價格日趨昂貴，嚴重影響到結晶矽基太陽電池的發展，雖然目前市場上仍是以技術較為成熟的結晶矽基太陽電池為發展主流 ， 但是全球太陽電池製造廠商在近年來已明顯漸趨轉向朝著矽用量少的矽薄膜太陽電池 ， 甚或不用矽的化合物系及有機系薄膜太陽電池發展 ， 由以上分析推估 ， 於 2010 年之後，薄膜型的太陽電池勢將崛起。廠商因應之道以歐洲為首，在積極著手於太陽光電發電系統的推動之下，連帶地使太陽電池的需求在歐洲佔有了全球的 50以上。從 2005 年德國推動太陽電池系統發電電力回售制度開始，如今約有 20 個國家也如法執行，而其中因日照時間長而期待發電效率佳的南歐地區 ， 最近設置太陽光電發電系統的件數也在快速增加之材料世界網 www.materialsnet.com.tw -3-中。另外，在中國大陸、韓國、台灣等亞洲地區，各國政府均相繼強化其進入太陽電池市場發展的獎勵輔助等措施，一樣出現快速成長之趨勢。為因應全球太陽電池市場的快速成長，全球的太陽電池生產廠商紛紛推出設備增強、大幅增產的計畫。在全球太陽電池總產量當中，日本即佔了六成，而Sharp、 Kyocera、三洋電機、 Kaneka四家的合計產量，就佔了全球的四成。時值全球太陽電池市場進入大規模競爭時代，目前太陽電池產量居全球之首的日本，還面臨著中國大陸與台灣新興廠商不斷崛起而邁向競爭的壓力 ， 如何提升其技術力，以保有全球佔有率領先之地位，已成為日本太陽電池廠商當前的重要課題。以下僅就日本主要生產矽薄膜太陽電池的廠商 ， 分析其在技術發展與調整供貨策略上的因應之道。1. Sharp 的 Triple 型矽薄膜太陽電池Sharp於 2007年春季前後決定在大阪府堺市建設一座年產能為 1GW 的大規模矽薄膜太陽電池新工廠，並計劃於 2010 年 3 月之前開始運轉，所產電力可提供 25 萬戶的一般家庭使用。據 Sharp 預測，目前全球太陽電池累計總產量為8GW，而 2007 年底 Sharp已公開發表其太陽電池產量達到 2GW，全球約有 1/4的太陽電池均為該公司所產製，而該新廠將生產的矽薄膜太陽電池將會是 Sharp接下來發展的主力產品。該公司太陽系統業務本部長專務董事濱野稔重表示，決定此新廠的投資是基於定為該公司研發目標之 Triple 型矽薄膜太陽電池在 2007年 1 月成功量產，其製造設備也實現能提高量產性的目標。濱野表示憑藉著該款矽薄膜可以支撐太陽電池發展到 2020 年。 2020 年之後，染料敏化太陽電池等新型薄膜太陽電池可望陸續出現，屆時又將是一場難以抉擇的市場競爭的開始。此外， Sharp還在 2007 年 11 月公開表示，設備投資約 220 億日圓，將位在奈良縣生產薄膜太陽電池的葛城廠的產能，由目前的 15MW 提高到 2008 年 10月達到 160MW。該公司葛城廠從 2005年 9 月開始量產雙層 非晶矽與微晶矽 構造的 Tandem型薄膜太陽電池。今後計畫主力生產結合兩層非晶矽與一層微晶矽構造的 Triple 型薄膜太陽電池 ， 產品將送往該公司龜山第二工廠製作為窗玻璃來使用，或製作為內藏 LED 於白天發電、夜間點燈的光穿透型模組，並設計為建材一體型的應用產品。關於 Triple 型薄膜太陽電池，其結構組成圖如圖二 a所示；模組試製品則材料世界網 www.materialsnet.com.tw -4-如圖二 b所示。其與雙層構造的 Tandem 型薄膜太陽電池比較，外觀皆為黑色，膜厚約 2μ m，光感度在可見光到紅外線領域；兩者所不同的是在光電轉換效率上， Triple 型單電池為 13、電池模組為 10，而 Tandem型單電池為 11、電池模組為 8.6。 Triple 型薄膜太陽電池的效率之所以能提高是因為非晶矽雙層化使電壓變高，再加上微晶矽使光劣化變小所致。 Triple 型薄膜太陽電池的應用發展較廣之外，其還有另一發展優勢那就是可以 Tandem型薄膜太陽電池相同的設備生產，如是隨著多層化的發展，可省卻大型、昂貴的設備使用，而可望讓每瓦的單價降低。由圖三所示可明顯得知， Sharp積極於 Triple 型薄膜太陽電池的研發，其發展目標，旨在提高其光電轉換效率得以與多晶矽太陽電池一樣，以取得發展優勢，力圖穩住全球產量第一的寶座。圖二、 Triple 型薄膜太陽電池 a結構組成圖； b模組試製品圖三、 Triple 型薄膜太陽電池發展目標材料世界網 www.materialsnet.com.tw -5-2. 三洋電機的第三世代 HIT 太陽電池為了因應全球矽原料供應不足的問題，與公司期許實現綠色能源社會的理想，三洋電機繼第一世代非晶矽、第二世代 HIT 太陽電池之後，訂定出發展第三世代矽薄膜太陽電池的方針。為推動下世代矽薄膜太陽電池的開發，三洋電機最近在設立有「 Solar Arc」大規模發電設施的歧阜事業所內成立了一個「先進太陽光電發電開發中心」 ，計劃於 2008 年 4 月開始運轉。這個 12 年的事業化發展計畫是以光電轉換效率達到 12為目標，在 2008～ 2010 年三個會計年度期間將陸續投資約達 60 億日圓。三洋電機融合其半導體技術與薄膜電晶體技術，期待在技術上能有更進一步的技術創新。而目標設定在 2012 年能達到每瓦約 150 日圓，使發電成本控制在與使用家用電費相當的程度。1997 年三洋電機以獨家技術開發出 HITHeterojunction with Intrinsic Thin layer太陽電池，它是屬於結晶矽基板與非晶矽薄膜所形成之 Hybrid 型的太陽電池，如圖四所示。由於具有高度的光電轉換效率與優異的溫度特性等，而使其每設置面積的發電量跨稱為世界第一。2007 年 6 月三洋電機公開發表訂定出「 HIT 太陽電池次世代計畫」，以積極投資與製品差別化為意向，準備從 2008年會計年度開始，於今後三年期間陸續投資約 800 億日圓，至 2010 年會計年度將 HIT 太陽電池產能提高 2.5 倍，達到年產 650MW 的規模，並以海外銷售為主，攻佔全球市場。同時，三洋電機發表其具實用尺寸 100cm2 以上 的 HIT 太陽電池單電池，如圖五 a所示。該單電池的特性是開放電壓 0.722V、 短路電流 3.872A3864mA/cm2、 曲線因子 78.8，特別是光電轉換效率高達 22.0。2007 年 9 月，三洋電機再就此 HIT 太陽電池發表用於住宅太陽光電發電系統上的 HIT 太陽電池模組新商品，如圖五 b所示，並於 2007 年 10 月上旬展開市售。該公稱最大輸出功率為 210W 的 HIT 太陽電池模組，尺寸為 1424mm 894mm x 35mm，重 15kg。最大功率動作電壓 60.0V，最大功率輸出動作電流3.53A。材料世界網 www.materialsnet.com.tw -6-圖四、 HIT 太陽電池的構造圖資料來源三洋電機圖五、 aHIT 太陽電池單電池； b210W HIT 太陽電池模組3. Kaneka 的新型 Hybrid 太陽電池Kaneka 早自 1999年開始量產工業用非晶矽太陽電池。之後，由於長期開發的薄膜系太陽電池轉換效率達 12的新 Hybrid 太陽電池開發成功 ， 而從 2007 年4 月開始將其位在兵庫縣豐岡市、 100出資成立的 Kaneka Solar Tech子公司的產能從 2005 年的 20MW 增強達 55MW。 目前則挹注約 20 億日圓的設備投資額 ，以 2008 年秋季達到 70MW 產能為目標。未來計畫目標是在 2010 年將再度擴大產能提高到 130MW ，預定包括附帶設備在內，設備投資金額將再投入約 100 億日圓。除了日本本廠的產能增加之外，該公司加工據點，也就是模組生產據點的產能增強動作也在同步進行當中，首先是 2006 年 4 月成立的捷克廠，在 2008年要將產能從 20MW 提高到 30MW。另外，因應未來美國、東南亞市場需求的擴大，目前也正在評估以 2008 年年底之前得以運轉生產為目標，而將在越南、墨西哥設廠。材料世界網 www.materialsnet.com.tw -7-Kaneka新開發的薄膜系 Hybrid 太陽電池最大特色是在傳統以非晶矽與結晶矽雙層所構成的薄膜太陽電池中，再積層一層透明中間層，而使該薄膜系 Hybrid太陽電池 圖六 的轉換效率達到 12。得以提升轉換效率的方法，雖然也可以採用兩層非晶矽與一層結晶矽的構造，但其面臨著生產性有待提升的課題。而Kaneka 是利用獨家開發的製造設備來生產此新的 Hybrid 太陽電池，除可透過該透明中間層有效吸收來自紅外光至可見光廣大範圍的波長之外 ， 同時也能提高其生產性 。 目前其製造設備能應因 1200mm 998mm 大面積太陽電池基板的生產，將之應用在小面積屋頂上 圖七 ，以太陽光電發電系統取得所需電力。而於研發階段， Kaneka 的 910mm 455mm 太陽電池基板轉換效率已可達到 13.5，預計於數年之後即將量產推出。圖六、 Hybrid 太陽電池的構造資料來源 Kaneka 圖七、安裝於屋頂上的 Hybrid 太陽電池模組例4. 三菱重工業的微晶矽 Tandem 型太陽電池三菱重工業從 2002 年開始在長崎縣鍊早市的鍊早廠量產非晶矽太陽電池。2007 年 6 月 ， 於該廠毗鄰地興建的微晶矽 Tandem型太陽電池廠 ， 以年產 40MW材料世界網 www.materialsnet.com.tw -8-的規模開始運轉，搭配現有的單接合型太陽電池第二廠 14MW 的年產量，合計年產能達到 58MW 。 2008 年再在該廠毗鄰地興建年產能達 50MW 的 Tandem型非晶矽太陽電池第二廠。原單接合型太陽電池產能也將增加一倍，達 28MW 。三菱重工業曾公開發表其於 2007 年第二季開始量產外形尺寸為 1.4m 1.1m 的 Tandem型矽薄膜太陽電池，並宣稱該尺寸是目前全球量產 Tandem型矽薄膜太陽電池中之最大尺寸。關於該太陽電池的構造與外觀，分如圖八與圖九所示。三菱重工業開發出獨家的微晶矽成膜技術，成膜速度可達 2.3nm/秒，能在量產線上以每 3 分鐘 1 片的速度產製太陽電池 。 目前該太陽電池模組的轉換效率約在 9.5，期待改進目標為 10.4，因而仍在持續研發中。三菱重工業在此次的發表中公佈了今後的生產計畫。目前，該公司的串聯矽薄膜太陽電池產能為年產 40MW 。今後計畫在將這一產能提高至 50MW，再加上 2007 年第二季度開工建設的年產 50MW 的新工廠，力拼 2008 年內能達到年產 100MW 。由於非結晶矽太陽電池的產能也得到了提高，因此該公司的太陽電池產能屆時將合計達到年產 128MW。另外，該公司還計畫興建年產能達100MW 規模的新工廠。不過，要想實現這一目標，還面臨經驗豐富的技術人員不足的問題，需要通過企業收購等多種途經來予以解決。圖八、 Tandem 型太陽電池的構造。微晶矽 i 層需要有非晶矽 i 層五倍以上的膜厚材料世界網 www.materialsnet.com.tw -9-資料來源三菱重工技報 Vol.45. No.1 圖九、 1.4m 1.1m尺寸的微晶矽 Tandem 型太陽電池結語薄膜太陽電池因重量輕、材料成本低，除能搭配使用於建築物外牆、屋頂之上，甚或還能靈活運用為建材一體型產品，而受到矚目；更受惠於近年來全球太陽光電發電系統的積極推動，而快速發展。提及薄膜太陽電池，除了主流發展的矽薄膜太陽電池之外，使用化合物的化合物系薄膜太陽電池、使用有機染料的有機薄膜太陽電池，及染料敏化太陽電池於近年來在技術研發上，亦出現急起直追的態勢，其可以印刷式生產、大面積化製造之外，還具輕量可撓曲的特性、多彩性及透光性，將帶動太陽電池的產品應用更趨向多元化發展，唯其模組的光電轉換效率目前仍屬偏低。限於篇幅，此部分之薄膜太陽電池本文並未納入討論，但猶如 Sharp專務董事濱野稔重所述， 2020 年之後 ，矽基之外的新型薄膜太陽電池可望陸續出現，屆時又將是一場難以抉擇的市場競爭的開始。材料世界網 www.materialsnet.com.tw -10-