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太陽能關鍵材料動態與技術挑戰
工研院IEK能源與資源分析師/ 王孟傑 口述
SEMI 編輯/ 高瑋玲 整理撰稿 (2009/11/20)


太陽光電產業相關材料一覽

太陽能電池依據太陽能電池之基板不同,可作以下之材料分類:(1)以矽晶圓為基板之單晶或多晶矽電池材料 (2)玻璃或高分子板為基板之非結晶形矽薄膜(Amorphous (a-Si))、堆疊型a-Si/微晶矽薄膜、CIS/CIGS、CdTe等II-VI族材料(3)有機電池:染料敏化之電解質材料、有機薄膜材料(4)以III-V族晶圓為基板之GaInP2/ GaAs、InGaP/InGaAs/Ge等材料等。此外,太陽能電池模組之結構中,除了主動之發電電池以外,其他重要之封裝材料,有EVA、Tedlar膜、玻璃、鋁框及密封材料等。

太陽能所涉及的關鍵材料,主要為製造太陽能電池的多晶矽與銀鋁膠(共約占總成本80%);以及模組部份的相關封裝材料(約占總成本10~15%)。

儘管太陽光電電池種類繁多,未來亦有新的材料會被持續開發出來,但由於以矽晶圓為基板為發電基礎的太陽能電池約占目前太陽光電發電市場的87%,其次為薄膜太陽能電池,占13%,所以一般在電池材料的探討上,主要會將重點放在矽晶圓的動態與發展,即可體現太陽光電產業材料之現況。

矽晶太陽能電池 仍為市場主流 多晶矽價格已趨平穩
以矽晶為發電基礎的太陽能電池約占目前太陽光電發電市場的87%,而矽晶太陽能電池主要的原料即為多晶矽,約占矽晶太陽能電池成本的八成。多晶矽價格從2004年每公斤20美元漲到2008年3月達現貨價每公斤450美元,豐厚的利潤導致國外成熟的多晶矽大廠紛紛擴產,而受到金融危機衝擊西班牙歐洲的電池板銷售數量下滑,市場供過於求,使得多晶矽價格大跌,日前跌到約每公斤45美元的價位。預估市場需求可於2010年間回溫,王孟傑認為近期的合約價與現貨價格應該可維持在55~58美元間。

由於2009年8月大陸中央宣布宏觀調控,抽掉財務支持,預估2010年在大陸中央既有政策及市場競爭激烈壓力下,大陸多晶矽廠將僅剩5~7家可繼續運作,將有助於國際多晶矽價格的維持穩定。


高效率多矽晶電池 為未來電池發展趨勢

矽晶太陽能電池為主流的趨勢不會改變,未來高效率多晶矽電池將為太陽能電池主要發展的重點。近期一個值得關注的產業消息即為Applied material買下了一家經營不善的高效率太陽能電池公司Advent solar,並宣告於2011年將技術移轉出來,讓高效率電池技術能持續發展並發揚光大。所謂的高效率多晶矽電池乃是透過製程的改變,提升電池的效率,同時亦能減低製造成本。目前SunPower、三洋即致力於高效率電池的研發與製造,台灣廠商在製程上亦應強化,並加速上下游整合,才能有效控制成本,維持市場競爭力。

薄膜太陽能電池動態
除矽晶發電之太陽能電池外,就是薄膜太陽能電池,約占目前太陽光電發電市場的13%,薄膜太陽能電池又可分為矽薄膜與化合物薄膜(CdTe 7%及CIGS 1%)兩種。矽薄膜太陽能電池的主要材料為Silane,起初的供貨對象主要是以面板廠與半導體廠為主,所以在矽薄膜太陽能電池發展之初,曾有供料不足的疑慮,但後期因所發展的廠商用量有限,所以並無缺料的情況發生。

在薄膜電池的玻璃材料部份,TCO玻璃之製造被兩家公司寡佔,分別是日本的AGC、NSG材料公司,以及瑞士Oerlikon設備公司也擁有LPCVD的技術,但其所使用之製造技術、方法與材料都不盡相同。因為其利潤很高,每平方米成本約7元美金,而市場售價可達40元美金,所以目前有許多廠商致力於自製TCO,如此則可降低約30%的成本,然而在專利與技術的突破仍待努力。

相較於矽晶太陽能電池,薄膜電池因為在材料的使用量較少,所以具有降低成本的潛力,但由於應用上的限制,所以不及晶矽太陽能電池來的普及,未來短期間薄膜太陽能電池的生產仍會有成長,以消化過去的材料,但長久而言薄膜電池廠應會面臨整併或關廠的情況。

有機電池:克服材料特性限制 拓展新的應用
另外,在有機電池(DSSC染料敏化與OPV有機薄膜)方面,目前染料敏化電池較佳的轉換效率約可達5 ~ 7%,但因為是有機材料,所以在技術上需要克服產品在陽光下容易劣化的問題,亦或是另闢疆土,朝向一次性或短期的應用產品來克服有機材料本身的特性限制; 此外,他指出染料敏化有機太陽能電池由於具有「多彩性」的特質,在應用上具有廣大的想像空間,若能多加利用這個特性,可發展其獨特的應用領域。

另外,在製程上,由於過去所研發之染料敏化有機電池,乃為較難控制的液態形式,會有不易封裝與洩漏的問題發生,產業還需經過一段時間的努力,待日後產品在膠狀型態有更成熟的發展與技術時,才能有更為普及的應用產生。

有機薄膜電池部分,其商業化轉換效率大約為3%,而有機導電乃需要技術上的提升與精進,才能有效提高轉換效率。基本上其製程為固狀塗佈的方式,較染料敏化電池容易,但因目前仍處於起步階段,市場仍需要約10年左右的研發時程才能成熟,除非有新的應用,才能讓此部分的市場提早出現。

除了結晶矽、薄膜、有機太陽能電池外,另外的發電技術,就是III-V族CPV聚光型太陽能電池,但礙於成本較高、體積較大與日照條件的限制,目前主要發展市場集中在美國與西班牙。此外,下一世代的太陽能電池,為量子點技術搭配矽晶與III-V族技術,效率期望可以突破50%以上!

導電膠市場動態
除了矽晶圓外,導電膠為太陽能電池另一主要材料,約占電池材料成本10%。導電膠可分銀膠(正銀)、鋁膠與銀鋁膠(背銀),初期主要由杜邦公司與Ferro兩大公司所龔占。在台灣,過去多為杜邦公司所獨占,其中的鋁膠,因為其製造技術較為容易,所以台灣目前製造的廠商也較多,所以杜邦公司近年選擇逐步退出競爭激烈的鋁膠市場,著重在銀膠(正銀)的發展。由於杜邦在鋁膠的撤退,使得台灣廠商有了發展的空間。

太陽能模組、背板動態
除了主動發電的太陽能電池外,其他的材料即為模組與背板,然由於太陽能電池材料成本高占總成本的80%,所以模組與背板部份的材料成本佔比相對顯的有限,約只有10%~15%。因此當廠商在致力於太陽能系統成本的控制時,如何降低發電電池本身的成本費用,才是市場所關注的重點。

由於太陽能發電系統要求長時間之使用壽命,因此對於太陽電池模組使用之封裝材料特性要求相當高。在焊接導線部分,目前仍以美國、日本為主要的生產國家,台灣的昇貿亦著手製造。在模組封裝EVA film部分,目前全球市場為10家廠商獨占,以日本為主,其他如義大利、美國等地亦有廠商製造,而台灣目前也有很多廠商正在努力研發當中,但採用率仍待提升。其主要的研發目標,乃著重於curing time的縮短,期以縮短加熱時間來減低電力成本;此外,期望以低溫製程,進一步加速製程以提升產能。甚至有廠商致力於EVA替代材料的研發,「PU」及「矽膠材質」皆為開發中的替代材質,以期減低成本。

在太陽能背板部分,「防潮、抗靜電、耐候」為產品三大主要訴求,Tedlar (PVF聚氟乙烯薄膜)主要為杜邦公司所發明,所以初期市場皆由杜邦公司所寡占,然由於杜邦於2007年底至2008年中進行廠房升級,在規格上作了改變,下游廠商紛紛尋找替代方案;而目前有部份新一代背板,例如採以PET取代Tedlar;此外,亦有自行研發的新材質出現,致使杜邦公司寡占市場鬆動。