臺灣太陽光電技術發(fā)展與重點研發(fā)成果

劉曉陽　蔡金剛

太陽光電為利用太陽電池直接將太陽光能轉換成電力方式，目前已發(fā)展出多種材料太陽電池。為保護脆弱的太陽電池，需要封裝成太陽光電模組才能使用。太陽光電模組搭配轉換器、線材等組件就成為產(chǎn)生電能的太陽光電系統(tǒng)，依據(jù)裝置地點分為住宅、商用與地面三類。

太陽光電技術發(fā)展現(xiàn)狀

在太陽光電產(chǎn)品大幅跌價，刺激全球太陽光電市場需求持續(xù)增長背景下，島內(nèi)太陽光電企業(yè)為擴大差異化，紛紛投入業(yè)界科專、主導性計劃，開發(fā)各種高轉換效率結構太陽電池如金屬貫穿電極、前硼射極（N-Type）、以及CIGS薄膜、染料敏化等技術。島內(nèi)太陽光電產(chǎn)業(yè)技術將持續(xù)朝向高效率低成本、創(chuàng)新高附加值與能源技術服務等方向發(fā)展。

1. 硅晶太陽電池

目前由于太陽電池價格驟降，產(chǎn)業(yè)面臨嚴重成本降低壓力，而硅晶太陽電池中所占成本最大者為晶片（約60%），其次為金屬電極（約20%），故降低成本的重點為硅晶片薄化與銀電極的取代。另外，低成本高效率技術及新結構太陽電池開發(fā)，也為降低單位發(fā)電成本方案。因此，發(fā)展目標與策略為：以薄晶片與非銀電極降低成本維持優(yōu)勢，以高效率新結構太陽電池開發(fā)，提升品質，創(chuàng)造競爭力，因應未來趨勢。

以下為硅晶太陽電池未來主要發(fā)展方向：薄晶片高效率電池整合結構，需開發(fā)高品質薄晶片，并將目前現(xiàn)有技術整合，包含選擇性射極搭配表面鈍化及點接觸電極技術等，將晶片厚度減少至150微米，2014年開發(fā)完成技術，2015年量產(chǎn)化；非銀電極太陽電池，也可整合于薄晶片高效率電池整合結構中，于2014年完成模組化技術，2015年商品化；n型晶片太陽電池結構，2013年年底完成基礎技術開發(fā)，包含硼擴散及表面鈍化技術等，并且于2014年6月完成量產(chǎn)技術開發(fā)；異質接面太陽電池結構，將結構調(diào)整至最佳化，于2014年底開發(fā)完成量產(chǎn)型技術并且于2015年底商品化；先期投入無切割損超薄晶片、電池等前瞻技術，以布局未來，建立下一代太陽電池的基礎。

2. CIGS薄膜太陽電池

銅銦鎵硒型（簡稱CIGS）太陽電池為目前薄膜太陽電池光電轉換效率最高者，CIGS太陽電池就制程而言可分為真空制程與非真空制程兩大類，真空制程以共蒸鍍制程與濺鍍后硒化制程為主流，目前島內(nèi)產(chǎn)業(yè)已投入開發(fā)的量產(chǎn)制程以真空濺鍍搭配后硒化制程，研究單位則在前瞻CIGS技術開發(fā)上針對非真空CIGS太陽電池技術進行研發(fā)。非真空制程可大概分為印刷涂布制程與電鍍制程兩大類為主，并搭配后硒化制程，相比較下非真空制程擁有低設備成本與高材料使用率等優(yōu)點，是未來有可能達到低發(fā)電成本太陽電池技術，具市場競爭優(yōu)勢。

3. 染料敏化太陽電池

目前除持續(xù)將染料敏化太陽電池模組制程技術授權給有意愿廠商外，另積極開發(fā)關鍵材料，如封裝膠材及膠態(tài)電解質等，也逐漸將原有于玻璃基材上制程技術轉移至軟性基材（如高分子基材或金屬箔基材等），也因應高分子基材不耐熱缺點而開發(fā)出一系列低溫制程技術，同時暫緩提升效率策略，朝效率與穩(wěn)定性提升并進方式，期望能加速染料敏化太陽電池產(chǎn)業(yè)化時程，達到發(fā)電成本每峰瓦0.4美元以下。

4. 太陽光電模組

在太陽光電模組方面，有兩大重點目標：（1） 降低生產(chǎn)成本；（2） 通過可靠性測試與模組壽命提升。為實現(xiàn)此目標，臺灣企業(yè)正致力于高效率太陽光電模組封裝技術開發(fā)以降低模組成本，模組壽命提升以降低太陽光電系統(tǒng)發(fā)電成本。目前封裝材料已占模組成本30%，封裝材料本地產(chǎn)化與高性能化為重要課題，封裝材料價格必須具有國際競爭力，以協(xié)助島內(nèi)模組產(chǎn)業(yè)降低成本，進入國際市場。封裝材料使用壽命提升與材料性能提升，與模組壽命及發(fā)電功率息息相關，也是未來持續(xù)研究方向。

新型高效率電池開發(fā)為目前電池研究方向，如PERC（鈍化發(fā)射極背面接觸）、HIT、N-Type與背電極等技術研發(fā)，整合電池模組以及材料技術，提升模組效率，并通過IEC國際驗證為目前發(fā)展方向，未來發(fā)展勢必朝高效率模組前進，降低生產(chǎn)成本。臺灣發(fā)展目標與策略為：以封裝材料本地產(chǎn)化，形成上下游供應體系，降低成本維持優(yōu)勢。以高效率新結構太陽電池模組的開發(fā)，增進模組壽命與產(chǎn)品可靠度，提升品質，降低生產(chǎn)成本。

為應對未來太陽光電高電壓系統(tǒng)降低成本的趨勢，對模組進行耐高電壓及相關材料特性研究，朝30年保證壽命是未來趨勢，針對此課題進行模組破壞機制研究，進行模組成品材料微結構分析，探討壽命提升的技術改進。藉由廣角寬容技術研究，模組工作溫度降低研究，提升模組在系統(tǒng)發(fā)電量增加，增進太陽光電系統(tǒng)效益。

5. 太陽光電系統(tǒng)

為促進太陽光電系統(tǒng)設置普及化，臺灣企業(yè)正在提升太陽光電系統(tǒng)品質認證及系統(tǒng)可靠度，通過系統(tǒng)發(fā)電量評估、系統(tǒng)測試與監(jiān)測、性能分析及故障診斷研究，提高系統(tǒng)建置前及長時間運轉的性能可靠度及穩(wěn)定性。

產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展指標與時程

1. 硅晶太陽電池

近幾年來由于太陽能電池的供需不平衡導致電池價格持續(xù)下滑，因此島內(nèi)主要生產(chǎn)廠商從原本由海外統(tǒng)包設備引進技術紛紛轉向高效率制程開發(fā)，期望能與其他廠商產(chǎn)生差異化技術。常見技術如選擇性射極、N-type太陽電池及表面鈍化等結構，許多公司已發(fā)表相關技術，并將上述技術整合開發(fā)高效率太陽能電池結構，但尚未導入真正量產(chǎn)。其主要原因是近來太陽電池價格驟跌，每單位發(fā)電量的價格下降，以致提升效率伴隨所需投入的成本并不符合經(jīng)濟效益。故在島內(nèi)技術近期發(fā)展中，如何以較低成本、較簡單的制程，來達到效率提升，為主要推動重點。

另外，各公司也利用臺當局“業(yè)界科專計劃”等資助開發(fā)更高效率太陽電池結構，如異質接面太陽電池及背電極太陽電池，但要應用到商品化仍需一段時間。因此，島內(nèi)企業(yè)正在積極整合彼此技術優(yōu)點，搭配各學校及研究單位的成效積極投入，來強化自有技術市場競爭力。

2. CIGS薄膜太陽電池

CIGS太陽電池除了能提供優(yōu)秀光電轉換效率外，還能提供低制造成本的優(yōu)勢，因此島內(nèi)有許多廠商積極投入市場。島內(nèi)CIGS太陽電池量產(chǎn)技術基本聚焦于真空濺鍍技術，下一代非真空CIGS技術也在快速進展中，特別是美國投入相當大能量研發(fā)非真空制程以用于生產(chǎn)CIGS太陽電池，非真空CIGS太陽電池關鍵技術發(fā)展包括，次模組電極技術、次模組光吸收層技術、非真空CIGS次模組整線制程技術、CIGS硒化物奈米漿料技術等；CIGS太陽電池發(fā)展瓶頸，在于大面積量產(chǎn)技術尚未成熟，以及真空制程居高不下量產(chǎn)成本，因此研發(fā)目標開發(fā)以非真空制程、無鎘緩沖層搭配可撓式不銹鋼基板的CIGS太陽電池具全方位的市場應用，且成本可低于真空制程30%以上，為下一代具市場優(yōu)勢的太陽電池技術。

非真空制程搭配無鎘緩沖層與可撓式不銹鋼基板，有著材料與制程和成本優(yōu)勢上的差異，雖然真空濺鍍制程的效率較高，但設備昂貴，且材料使用率僅三成，成本不易下降，使用硫化鎘為毒性物質，不易銷往民生用途與環(huán)保法規(guī)嚴謹?shù)膰遥鐨W盟與日本。硬式玻璃基板受限于形狀無法變化，市場應用性低于可撓式基板。島內(nèi)目前已制備自主研發(fā)軟性不銹鋼鍍鉬基板，在吸收層CIGS上開發(fā)自制材料、CIGS薄膜卷對卷傳輸制程設備及自主涂布的系統(tǒng)；開發(fā)智慧自動化制造系統(tǒng)，以提升硒化氫高溫爐硒化產(chǎn)能及質量。

在大面積緩沖層鍍膜設備開發(fā)部分，由于島內(nèi)企業(yè)對大面積緩沖層鍍膜設備需求強烈，目前已完成37厘米×47厘米大面積均勻厚度及穿透度的緩沖層鍍膜設備，未來擬技轉及協(xié)助島內(nèi)設備廠申請業(yè)界科專計劃，開發(fā)量產(chǎn)尺寸（60厘米×120厘米）設備，使研發(fā)成果落實。

3. 染料敏化太陽電池

染料敏化太陽電池特點為多彩、制程便宜以及可制作于軟性基材，且因其在低光和漫射光下也有尚佳發(fā)電效率，所以相較于其他太陽電池技術更適合應用于室內(nèi)環(huán)境。近兩年來的技術發(fā)展方向以模組制程、關鍵材料開發(fā)與應用整合三方面同步進行。

模組制程開發(fā)除精進原有玻璃基材電池制作外，也發(fā)展軟性染料敏化太陽電池模組，使太陽電池產(chǎn)品輕薄易攜。而關鍵材料開發(fā)以封裝膠材為主，以提升染料敏化太陽電池使用壽命為首，也可突破封裝膠材由外國公司掌握困境；并開發(fā)膠態(tài)電解質和新型態(tài)透明導電氧化物，以進一步提高使用壽命。而應用整合部分，以染料敏化太陽電池搭配無線感測器，利用染料敏化太陽電池在低光下可發(fā)電的特性，監(jiān)控并記錄室內(nèi)溫濕度變化；未來將搭配不同感測器（如氣體濃度、紫外線、建物震動等），監(jiān)控室內(nèi)外環(huán)境變化和建物狀況，期望可達到隨處安裝、無需維護的環(huán)境。

4. 太陽光電模組

近幾年來由于太陽光電模組價格持續(xù)下滑，因此島內(nèi)生產(chǎn)廠商最主要方向為降低生產(chǎn)成本，藉由模組效率提升與封裝材料本地產(chǎn)化，來達到目的。模組主要成本結構為太陽電池與封裝材料。島內(nèi)原本就有較深厚的材料工業(yè)基礎，遂有許多廠商投入新材料開發(fā)。

新模組封裝技術部分，隨著新型電池技術開發(fā)如PERC、HIT、N-Type與背電極等技術研發(fā)，整合電池模組以及材料技術，提升模組效率，并通國IEC國際驗證為目前發(fā)展方向。藉由廣角寬容技術研究，模組工作溫度降低研究，提升模組在系統(tǒng)發(fā)電量增加，增進太陽光電系統(tǒng)效益。為因應將來高電壓系統(tǒng)以降低成本的趨勢，模組進行耐高電壓的研究，進行相關材料特性研究。模組朝30年保證壽命是未來的趨勢，針對此課題進行模組破壞機制的研究，進行模組成品材料微結構分析，探討壽命提升的技術改進。

材料自主化開發(fā)，從早期開發(fā)關鍵材料EVA、導電銅箔焊帶開發(fā)，島內(nèi)關鍵封裝材料近年發(fā)展技術又更加精進，EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）材料研發(fā)開發(fā)出符合模組電致衰減測試與耐黃變高使用壽命的材料，背板材料降低生產(chǎn)成本開發(fā)，并致力于高反射與降低模組工作溫度的功能性研究。

在模組設備開發(fā)，近年來已發(fā)展成整線自動化封裝設備，包括焊接機、大型封裝壓合機、組框機、EL檢測設備與輸送線等，再搭配海外知名模擬器，形成整線自動化封裝設備內(nèi)外銷。以因應未來市場的需求，多層式模組封裝壓合機的開發(fā)，也有豐碩成果。

模組驗證測試能量，島內(nèi)目前已有多家IEC 61215、IEC 61730驗證測試實驗室，可進行的模組測試項目已包括IEC 61215、IEC 61646品質測試及IEC 61730、UL 1703的安全測試、防火測試等，有效縮短島內(nèi)廠商新產(chǎn)品驗證時間，增加島內(nèi)廠商打入歐、美、日市場的競爭力。

近年來測試重點為模組廠商引進使用新開發(fā)本地產(chǎn)材料，如EVA、導電銅箔焊帶與背板等材料驗證測試。同時發(fā)展新測試能力，島內(nèi)企業(yè)根據(jù)國際目前測試草案，對太陽光電系統(tǒng)衍生模組問題進行產(chǎn)品驗證，其他如鹽霧試驗與氨氣試驗目前也在進行相關驗證，以增加島內(nèi)廠商進入歐、美、日市場的競爭力。

太陽光電系統(tǒng)技術重點

隨著臺當局積極推動陽光屋頂百萬座政策，以及太陽光電系統(tǒng)普及與健全設置環(huán)境構建的形成，島內(nèi)太陽光電系統(tǒng)設置量不斷快速增長，提升系統(tǒng)品質效能及安全性、可靠度相當必要，并且在金融貸款機制需求與要求下，系統(tǒng)檢、監(jiān)測與診斷評估技術更是不可或缺。因此，如何構建一套可用率高的監(jiān)測系統(tǒng)，配合現(xiàn)場檢測技術與故障診斷、損失因子分析、老劣化評估等技術成為重要的研究與發(fā)展重點。運用這些檢測、診斷與評估技術可強化系統(tǒng)的運維安全與可靠度，并增加系統(tǒng)性能與效益。另一方面，強化系統(tǒng)多元化、多功能性的應用，以及BIPV（太陽光電與建筑結合應用）與建筑節(jié)能減碳整合的研究發(fā)展也是歐、美、日等國家的應用發(fā)展趨勢。各技術重點說明如下：

1.光伏發(fā)電系統(tǒng)營運管理平臺

光伏發(fā)電系統(tǒng)營運管理平臺技術近期發(fā)展重點在于除了發(fā)電量監(jiān)測、系統(tǒng)性能評估、系統(tǒng)異常示警、即時故障診斷、管理與異常事件報告等功能外，更進一步納入光伏發(fā)電系統(tǒng)維修保養(yǎng)服務，例如：維保品質評估建議、預防性光伏發(fā)電系統(tǒng)保養(yǎng)提醒、指派維修時程規(guī)劃、系統(tǒng)元件壽命及可靠度管控、同時可根據(jù)顧客歷史服務歷程紀錄，提供有關顧客系統(tǒng)設計規(guī)劃建議書。