目前可进入量产阶段的太阳光电技术,以单/多晶硅、薄膜(Thin Film)以及新兴高聚光型(HCPV)三大技术为主,在这三大技术领域中也有许多台湾厂商投入其中。从整体市场占有率来看,单/多晶硅依旧稳居太阳能市场主流,预估比重占85%左右,至于薄膜太阳能约占整体市场的10%,新兴的聚光型产品已经有5%的市占率。量产能力、制程成熟度、转换效率、采光稳定度、材料和制程成本等因素,是评比多晶硅、薄膜和高聚光型材料太阳能技术应用的主要区分点。
台厂投入可量产太阳能光电技术分类一览表<制表整理:钟荣峯>
太阳能技术类别 |
主要台厂代表 |
单/多晶硅 |
茂迪(Motech)、益通(E-Ton)、昱晶(Gintech)、升阳(Solar Tech)、新日光能源(NSP)、太阳光电(BigSun Energy)、茂硅(Mosel)、达能(Danen) |
薄膜 |
非结晶(A-Si) |
富阳光电(Sun Well)、旭能光电(Sunner)、绿能光电(Green Energy) |
非微晶堆栈(Micromorph) |
宇通光能(Auria Solar) |
铜铟镓硒(CIGS) |
绿阳光电(Axuntek)、台积电、友达、铼宝 |
高聚光型 |
亿芳能源(Everphoton)、华旭环能/华宇光能(Arima)、瀚昱(Compound)、台达电 |
稳定供应材料是单/多晶硅扩产关键
单/多晶硅太阳能技术在量产能力、制程成熟度和制程成本上都具有相当的优势,不过由于晶硅材料只能吸收到可见光光谱范围的波长,所以光源转换效能的成长空间比较小。此外,晶硅材料的温度系数较高,容易受到温度变化影响采光效能,日照瓦数的稳定度也因此较低。因此在阴天多云的气候变化下,单/多晶硅太阳能面板的采光效能会随之受限,呈现线性下降的反应。
另一方面,单/多晶硅价格波动幅度过大,硅晶材料厂商也会以库存方式哄抬市场价格,对于产能满载的台湾电池和模块厂来说,形成不小的成本压力。茂迪执行长张秉衡在台湾国际太阳光电论坛发表演讲时指出,如何建立长期稳定的晶硅材料供应链,是降低单/多晶硅太阳能面板成本的重要关键。台湾尽管在今年已经重建太阳能产业的发展契机,不过值得注意的是,在具有高获利的上游硅晶材料部份,台湾厂商的掌握程度仍旧不足,目前只有福聚太阳能可以量产多晶硅。相较而言,南韩的OCI在短短的三年之内,已经成为全球多晶硅第三大的供应大厂,对于台湾多晶硅太阳能产业发展来说,是个值得注意的警讯。因此垂直整合硅晶原料、电池、模块或逆变器的一条龙生产模式,正逐渐成为台厂单/多晶硅太阳能厂商控制成本的营运方向。
薄膜太阳能技术各有一片天!
薄膜太阳能电池则主要以非晶硅A-Si、非微晶堆栈(Micromorph)和铜铟镓硒(CIGS)三大类为主,薄膜太阳能面板的透旋光性比多晶硅来得高,也具有可挠性,且采用强化玻璃材质,相较于单多晶硅太阳能面板,也较不易破裂破碎。相较于单/多晶硅,薄膜太阳能也较不受日照、湿度和遮蔽效应影响。
A-Si量产能力可威胁单/多晶硅
从量产能力来看,目前A-Si和Micromorph都可进入量产阶段,A-Si的量产稳定度可达99%,Micromorph大概在90%左右。CIGS刚进入量产阶段,产能则仍有待加强,良率也不够高。旭能光电(SUNNER SOLAR)副董事长欧政豪博士指出,相较于单/多晶硅和高聚光型(HCPV)材料和设备的成本,尽管薄膜太阳能面板的生产设备并不便宜,不过HCPV和多晶硅的材料成本相对较为昂贵,因此薄膜太阳能面板的成本结构仍相对较低。
A-Si制程由于研发时程已有一段时日,材料成本也相对稳定,尽管生产设备也不便宜,整体生产成本相对低廉。整体来看,A-Si薄膜太阳能产品应用具有发展潜力,材料、量产和良率稳定度高且不断成熟,对于占主导地位的多晶硅太阳能产品最具威胁性。
CIGS后势看涨 确立制程标准才能扩产
具备低成本和高转换效率潜力的铜铟镓硒(CIGS)制程,也成为薄膜太阳光电领域备受瞩目的焦点。绿阳光电、台积电、友达、铼宝等,正积极参与CIGS薄膜太阳能的开发作业。
由于CIGS对于温度系数较不敏感,可吸收漫射光,因此可吸收的光谱较宽,光吸收的角度没有单/多晶硅太阳能来的狭窄,因此总发电量较高。另外,不同于其他非晶硅(A-Si)和非微晶堆栈(Micromorph)采用气体沈积的制程方式,CIGS制程主要可分为真空制程和非真空制程,前者须经过共蒸镀和溅镀制程,后者则采用化学电镀和奈米印刷。真空溅镀制程可满足大量量产的需求,成本颇具竞争优势。
目前CIGS制程主流分成几大类,也没有标准产线可以购买,几乎所有的厂商都是客制化机台,因此产能与产线放大,势必要考虑到机台供应的速度。最关键的是,模块面积放大,薄膜太阳能模块均一性控制难度也随之增加,转换效率就会跟着模块面积增加而下降,CIGS制程也会面临相同的问题。值得注意的是,CIGS所需关键材料铜铟镓硒中的铟,属于高度敏感的稀土原料,能不能获得稳定的供应来源仍需诸多考虑。
正由于目前并没有标准化的CIGS制程,因此投入CIGS的厂商,一开始必须以一条龙的生产方式,整合开发电池、模块和生产制程设备,初期投入资金压力相对最高。虽然CIGS薄膜太阳能电池在台积电和友达的加持下声势高涨,但是距离量产阶段仍有段距离。
绿阳光电董事长李适维进一步表示,CIGS的技术应用从1975年开始,整体理论已经非常完整与稳固,小尺寸实验室的转换效率已可突破20%以上,可是大尺寸的商业化量产仍然无法有效落实,主要关键在于制程与量产的整合。因此厂商除了需继续强化大尺寸玻璃基板转换效率外,在机台与靶材的整合能力也必须快速跟进,而持续扩充新产能更是不可或缺。
目前可量产太阳能光电技术主要特性评比一览表<制表整理:钟荣峯>
|
单/多晶硅 |
薄膜 |
HCPV |
非晶硅 |
非微晶堆栈 |
铜铟镓硒 |
量产能力 |
最高 |
次高 |
中 |
次低 |
最低 |
制程成熟度 |
最高 |
次高 |
次低 |
最低 |
中 |
良率 |
99% |
99% |
最低 |
次低 |
中 |
材料可吸收光谱 |
可见光 |
可见光 |
可见光
紫外光 |
可见光
紫外光
红外线 |
可见光
紫外光
红外线 |
材料成本 |
次高 |
中 |
次高 |
中 |
最高 |
制程成本 |
最低 |
次低 |
次高 |
中 |
最高 |
转换效率 |
次高 |
最低 |
次低 |
中 |
最高 |
采光稳定度 |
最低 |
次低 |
中 |
次高 |
最高 |
产品市占率 |
最高 |
次高 |
次低 |
次低 |
最低 |
薄膜转换效能低 但成长空间广
就转换效能来看,相较于单/多晶硅和高聚光型(HCPV),薄膜太阳能面板的转换效能较低,目前大概只有7~11%左右,仍是在技术上需要加以克服的地方。其中,A-Si的转换效能大概只有7%,相较于Micromorph和CIGS而言可说是最低的。
若更深入从三种不同光谱波长吸收的材料特性来看,薄膜太阳能的A-Si制程,只能吸收可见光波长,Micromorph则可吸收较多长波,而CIGS则可吸收从可见光、紫外光和红外线的三种光谱波长。因此就物理特性来看,CIGS吸收太阳光的效能最高,相对地转换效能的成长空间最广,而A-Si薄膜太阳能则会提早面临转换效能停滞和效率衰减的天花板效应。
日照采光效能稳定度高
从另一方面来看,薄膜太阳能面板的温度系数小,单/多晶硅的温度系数较高,因此薄膜太阳能的转换效能,较不易受到温度影响,日照瓦数的稳定度和采光效能,比单/多晶硅面板来得高。CIGS对于温度系数也较为不敏感,且可吸收漫射光,采光角度也没有多晶硅来得狭窄,采光效益也具有相当的竞争力。
欧政豪进一步指出,从发电成本和售电营收角度来看,薄膜太阳能面板每一kw单位kw/小时的发电量较高,经过测试结果,可多出33%的发电效能,这可直接有助于降低发电厂的售电成本。另外,薄膜太阳能系统的发电营收也较为容易计算。
薄膜太阳能市场自有一片天
尽管目前薄膜太阳能产品市占率,占整体太阳能市场的15%左右,未来5年内仍难以撼动多晶硅太阳能产品的主流地位,不过薄膜太阳能对于多晶硅太阳能产品的威胁性仍是不可小觑。薄膜太阳能面板具有一定的市场利基,除了可应用在BIPV建材与绿建筑材料环境外,也可渗透到一般工厂和大卖场顶楼等发电隔热应用。以往以单/多晶硅面板为主的大型发电厂,也开始广泛地采用薄膜太阳能面板。薄膜太阳能面板可调配各种色泽,不若单多晶硅以黑色和蓝色为主而单调,因此薄膜太阳能面板的应用条件可与单/多晶硅进一步区隔。
HCPV转换效率高 追日高聚光浮出台面
高聚光型(HCPV)太阳能技术以前主要集中在国防及太空等高阶应用,目前也开始在消费市场崭露头角,结合绿能型追日系统设计,目前HCPV实际应用的转换效率已可达到26%左右。
HCPV主要采用三五族化合物半导体材料,以磊晶技术堆栈,增加光谱吸收范围,可吸收的光谱波长涵盖可见光、紫外光和红外线,相较于晶硅和薄膜太阳能材料来说是最高的,因此转换效率也是较高的。HCPV主要的三五族聚合物关键材料,目前仍是掌握在Spectrolab、Emcore和Azur这3家厂商手上,前两家是美国公司,最后一家则是德国企业。台湾的晶元光电目前也正在投入开发当中,而禧通(M-COM)则投入砷化镓磊晶材料技术的研发行列。
与会厂商代表指出,台厂还需要掌握的关键材料,包括高聚光型太阳能电池所需的三五族半导体材料和电池,目前也是高度集中在Spectrolab、Emcore和Azur三大家手上,不过台厂晶元光电已经开始切入高聚光型太阳能电池领域。
不过,直接利用三五族化合物半导体进行太阳能发电,材料和制造成本过高,因此藉由较大面积的透镜或反射镜,将太阳光聚焦在一小块电池点上,就可以吸收大面积的光源,结合利用多接面(multi-junction)电池可吸收不同光谱的太阳光,加上追日系统设计,便产生高聚光型HCPV的太阳能电池设备。
HCPV关键零组件包括高精密阳光传感器、菲陧尔透镜和电池接收器,加上电池模块和追日系统。模块也需要搭配高效能散热设备,才能避免太阳能电池温度上升、导致转换效率下降的课题。也因此,HCPV技术门坎相对于晶硅和薄膜太阳能技术来说并不低,因为HCPV必须有效整合材料、光学和机械等三大关键技术。
正因为可吸收光谱范围最广,因此HCPV适合在离岛、日照量高和大电厂等应用环境,HCPV也适合在赤道纬度、非洲、澳洲和中东地区使用。在一定限制的土地利用条件下,HCPV可发挥的能源采集效益是相对较高。目前投入HCPV的台厂以亿芳能源(EVERPHOTON)、华宇光能(Arima)和瀚昱能源(CompSolar)为主,台湾的亿芳能源已经取得阿布扎比标案,也参与高雄路竹电厂的开发作业,并与核研所进一步密切合作。
量产能力是关键 太阳能技术比谁气长!
无论是单/多晶硅、薄膜还是高聚光型太阳能技术,都各有可持续发展的应用领域,目标都是希望能够建立稳定供应且具市场竞争能力的量产规模。量产规模若要可长可久,是需要透过三种关键的技术提升,来达到降低成本的效果。这三项技术是能源转换、制程方法以及材料应用。现阶段最重要的是降低材料和制程成本,并且有效提高制程良率。不论是哪种技术,相关厂商都开始朝向一条龙的经营模式去整合发展,希望能自主地掌握太阳光电材料制程的供应链关键。现阶段单/多晶硅技术制程仍是主流,但是未来谁会是真正的NO. 1,大家可是都还有机会呢!
@BOX:打造一条龙模式 旭能光电强化硅薄膜太阳能竞争力
旭能光电(SUNNER SOLAR)副董事长欧政豪博士表示,2011年在中科的第二座厂房即可进入量产阶段,预计产能可达200mw,同时旭能光电也将进军北美市场,并继续巩固德国、东欧和印度与其他亚洲地区的既有优势。除了A-Si制程之外,明年旭能光电也计划切入同样量产能力较为稳定的Micromorph制程,至于CIGS制程,旭能光电也正在考虑投入的可行性。
欧政豪博士透露,在关键的薄膜太阳能生产设备部份,旭能光电和日本优贝克(ULVAC)维持相当紧密的合作关系,下一阶段ULVAC将和旭能光电在逆变器部份加强合作。这也意味着,旭能光电正朝向一条龙的营运模式演进。
若以1700坪的屋顶面积、装设容量为306kw的薄膜太阳能面板装置来看,每年总发电量可达46,2600度,若每度售电单价为12.97元来计算,每月进帐可达50万元左右。也因此,对于独立系统的充电设备来说,薄膜太阳能面板是较佳的选择。这也是为什么,电动车的充电设备会采用薄膜太阳能面板作为首选的重要原因。
ULVAC也是提供日本太阳能电动车充电站的重要厂商。ULVAC企业客户支持事业部低碳电网部专门室长葛西俊一表示,日本电动车的薄膜太阳能充电设备,在CHAdeMU协会的规范下,已经建立起统一的充电规格。ULVAC已经推出标准型及快速充电型的薄膜太阳能充电设备,正积极进军日本电动车市场。
@BOX:绿阳光电成CIGS薄膜太阳能模范生
目前拥有CIGS自主制程能力、且已经实际进入量产阶段的绿阳光电(AxunTek),已经完备屏东新厂25MW的产线建置,预计在2011年将继续完成第二阶段扩厂计划,届时产能可进一步扩充到100MW。值得注意的是,今年绿阳光电在CIGS的转换效率已经可达11%,预计明年将可突破12%,预计3年内可达到13%的转换效能。当到达12%时,年总发电量便将等于晶硅15~16%的年总发电量。绿阳光电预估,未来3至5年,CIGS的总产能可突破2GW以上。
绿阳光电藉由自主选择优化的材料及设备,已经建立起一套完整的CIGS制程技术。绿阳光电董事长李适维指出,绿阳光电目前能够稳定的掌握大尺寸量产的制程技术,主因在于3年前就投资了一条超过40公分尺寸的批量试产线,将学理上的基础转换成实际的量产经验,并将该制程与机台厂商协同发展专属机台,能够顺利地稳定大尺寸量产。在这里,绿阳光电掌握了提高膜层均匀与均温性的关键技术,并且能有效控制材料甚至机台稼动率与良率。这些基础研究与制程机台整合的经验,是绿阳光电能够在最短时间内导入量产的关键。
现在绿阳光电也已经取得TUV大雅实验室的认证,预计明年第1季也将取得UL认证,届时绿阳光电的CIGS薄膜太阳能产品便拥有双认证的资格。
面对竞争日益激烈的薄膜太阳能市场,李适维指出,第一阶段除了取得双认证之外,同时也要争取不同区域不同市场的系统实绩装设,凸显CIGS在系统端与发电量与传统技术的差异性。下一阶段则配合相关实绩数据,争取欧洲系统客户与美国市场的认同,销售目标则以一般系统建案、路灯运用并配合开发BIPV应用为主。