黃國瑋、邱培庭、吳世雄、童永樑、黃崇傑/工研院綠能所
一、應用背景
目前矽晶太陽電池世界最高效率為26.7%,比起2000年的25%,時間相差15年以上,但效率成長卻不到2%,使得堆疊型太陽電池一直被視為效率突破的手段之一。然而,在太陽電池模組的市場應用性方面,真正被市場所考量的是每瓦美元價格(Dollar Per Watt; DPW)。意即,就算光電轉換效率有所提升,若是所應用的手段造成製造成本大幅增加,則該技術仍然不會有進入市場的機會。考量目前矽晶太陽電池價格已降到每瓦0.37美元,如何在兼顧DPW前提下,以堆疊技術達到提升轉換效率目標,便將成為協助產業提升競爭力的有力選項。其中,鈣鈦礦太陽電池相較於其他太陽電池技術,具有低成本潛力、材料原料取得容易、基板適應性高、可撓和透光等優勢,適合做為堆疊太陽電池的上電池技術。2021年鈣鈦礦電池與矽晶電池堆疊最高認證效率已達到29.5%,其發電均化成本經統計分析結果如圖一所示。當模組效率達到12%、15%及20%時,成本各自為0.49 美元/kWh、0.42 美元/kWh及0.35 美元/kWh。針對不追求高效能但低DPW太陽電池模組目標,以鈣鈦礦太陽電池作為發電主體的模組,或是搭配矽晶電池的堆疊電池模組才能切入市場實際需求。
圖一、鈣鈦礦太陽電池與其它相關能源發電均化成本比較表
英國IDTechEx公司在2015年的研究報告就指出(如圖二),鈣鈦礦太陽電池市場的產值將在2025年達到2.14億美元,與矽晶電池堆疊電池市場更高達約16億美元,未來期望成為太陽電池市場主流。各國近年皆積極投資發展技術,主導公司投入大量資金積極研發此技術。其中Oxford PV融資金額最高到達8,000萬美元,中國金風科技與協鑫納米分別投入2,700萬美元與2,800萬美元。根據資料顯示,Oxford PV與中國各大公司皆以MW等級堆疊電池生產線建置為目標。本團隊這幾年針對此領域專利進行詳細的分析後發現,去年中國各領先公司已佈局大量可量產型專利,從模組設計、雷射切割製程到製程設備等,發展非常快速,各公司策略皆以專利先期公開搶占時間點。由此可見,此領域技術已逐步從實驗室步入工廠,發展速度遠高於預期,各公司皆積極布局搶佔市場先機。
而技術方面,隨著鈣鈦礦太陽電池持續發展,許多公司與團隊相繼跨入大面積電池技術領域,如圖三所示,鈣鈦礦太陽電池模組在不同尺寸上已有許多顯著進展,對於鈣鈦礦大面積太陽電池(>1 cm2)方面,Australian National University (ANU)在2019年獲得認證的光電轉換效率到達21.6%(主動面積:1.02 cm2);在實驗室等級模組方面(<200 cm2),中國的Microquanta Semiconductor在2019年通過認證的效率為18.0 %(主動面積:19.276 cm2);在小型模組方面(800-6,500 cm2),日本Panasonic Corporation在2020年的報告中發表效率達到17.9%(主動面積:804 cm2)。
在大面積電池製造技術中,各功能層的放大製程非常重要,其中鈣鈦礦層從材料、配方、成核長晶機制、製程技術到製程設備都是全新的,鈣鈦礦薄膜放大工藝最重要且最具挑戰性。以專利角度切入,本技術正處於技術生命週期中的技術發展階段。拆解鈣鈦礦太陽電池技術專利分布,建立技術功效矩陣圖如表一所示,發現目前布局大多在鈣鈦礦關鍵材料與關鍵製程。目前除了上述杭州纖納公司已布局大量量產相關技術與設備專利外,其他國際上主要專利佈局公司,如:Chinese Academy of Science、Sekisui Chemical Co., Ltd.、Fuji Film Holdings Corp等(如圖四所示),目前佈局都著重於鈣鈦礦關鍵材料與製程。因此,我們該如何從材料根本端切入,掌握穩定薄膜製程技術,以低成本製程製造出高質量鈣鈦礦薄膜,是本領域技術發展的重要關鍵---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。