從1st PV Glass會議看太陽能電池用玻璃產業的新發展前景

 

刊登日期:2008/4/14
  • 字級

玻璃工業的一項特點是產品的多樣性,有傳統產品,如玻璃瓶罐、門窗玻璃、汽車玻璃、各式明鏡等,也有較新的產品,如各式燈管玻璃、功能平板玻璃、光纖玻璃、結晶化玻璃、各種藝術玻璃等等。在分類上,玻璃產品大致上可區分成平板玻璃(Flat Glass)、容器玻璃(Container Glass)、玻璃纖維(Glass Fiber)與特種玻璃 (Specialty Glass)。一般人的印象裡,玻璃工業屬於市場供需穩定的傳統產業,但是事實上,它是以平均高於世界經濟成長率約1%的速度在增長,長期來看,全球玻璃市場的年成長率約3.5%。近年來隨著太陽光電產業的蓬勃發展,進一步帶動太陽能電池用玻璃的研發與需求,替玻璃產業注入了新生命。2007年全球太陽能發電量約4GWp,預估2011年可望達到20GWp,屆時太陽能電力將可超過全球總發電量的10%,影響所及,做為太陽能電池主要載具的太陽光電玻璃產業將跟著受惠,前景看好。

平板玻璃是各種太陽能電池的主要載具
由於良好的透光與耐候性質,不論是目前在全球太陽能電池市場佔有率超過90% 的矽晶片太陽能電池,還是最近幾年引起廣泛注意的矽薄膜太陽能電池與銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池,絕大多數的太陽能電池產品都使用平板玻璃,做為封裝或是基板材料,如圖一與圖二所示。

圖一、平板玻璃用於矽晶片太陽能電池模組封裝
圖一、平板玻璃用於矽晶片太陽能電池模組封裝
資料來源:Saint-Gobain

 圖二、平板玻璃用於各種薄膜太陽能電池模組封裝或做為電池基板
圖二、平板玻璃用於各種薄膜太陽能電池模組封裝或做為電池基板
資料來源:Saint-Gobain

平板玻璃產業的上游玻璃基板供應(所謂一次製造),一般由少數幾家大廠控制,集中度較高,全球主要大廠包括Asahi Glass (日本)、Guardian Industries Corp. (美國)、Pilkington (英國)、Saint-Gobain Glass (法國)等。在應用方面,全世界生產的平板玻璃(一次製造與二次加工製造),大約70%應用於建築物的門窗,約15%使用於汽車市場,其餘則用於傢俱及其他應用。

一次製造平板玻璃的製造方法主要是浮式法,目前全世界超過90%的平板玻璃以此法製造,浮式法平板玻璃的優點是平整度較好、透明度較高並適合大尺寸連續生產。除了浮式法,平板玻璃也可經由滾壓法與拉曳法製造,由滾壓法製造的壓花平板玻璃過去主要應用在一般居家的窗戶、浴室用隔板、室內傢俱等,由於耗能較少,本次會議中有人提到由滾壓法製造的平板玻璃,更適用於屬於綠色能源產業的太陽光電產業。

全球太陽能電池用玻璃產業的近況與發展
由於太陽光電產業的蓬勃發展,全球太陽光電產業對太陽能電池用玻璃的需求預估在5年內可望成長7.6倍,由2007年的41百萬平方公尺增加到2012年的312百萬平方公尺。品質與價格是太陽光電產業對於太陽能電池用玻璃的主要要求,其中影響價格最大的因素是玻璃的使用重量,以矽晶片太陽能電池模組封裝用平板玻璃來說(單片),1千瓦(kWp)電力的太陽能電池模組約需6平方公尺的平板玻璃,也就是說1GWp太陽能電力系統需要6百萬平方公尺的平板玻璃,如果所需的玻璃厚度是4mm,則1GWp太陽能電力系統需要24,000立方公尺的平板玻璃,這相當於約6萬公噸的玻璃,玻璃的主要生產成本是原料與能源,隨著太陽光電產業對透光度、耐候性等玻璃品質的要求愈來愈高,未來太陽能電池用玻璃的趨勢是使用含鐵量較低、價格較高的起始原料,因此降低所需的玻璃厚度,將是未來太陽能電池用玻璃的發展趨勢。

目前全世界超過90%的一次製造平板玻璃以浮式法製造,此法適合大尺寸連續生產,產能很大,缺點是耗能也較大,因此如何減少生產過程中的能源消耗已成為各主要浮式法平板玻璃製造廠的重點發展方向,目前歐美日等玻璃產業先進國家的浮式法玻璃能源消耗已可降低至約6,500kJ/kg,但是在能耗上仍比滾壓法的3,600kJ/kg高出約80%。由於耗能較少,本次會議中有人提到由滾壓法製造的平板玻璃將更適用於屬於綠色能源產業的太陽光電產業,其中滾壓法製造的薄型熱增強平板玻璃未來將有很大的發展潛力。

平板玻璃在二次熱處理的方式上,一般可分為熱增強玻璃(Heat-Strengthened Glass)以及強化玻璃(Fully-Tempered Glass),熱增強玻璃強度一般為普通退火玻璃(Anneal Glass) 的2 倍,其破裂碎片類似普通退火玻璃,碎片較大,而強化玻璃強度一般為普通退火玻璃的 4 倍,其破裂碎片較小,使用於安全要求較高之場合,缺點是內應力大,不利切割加工。圖三是熱增強玻璃的不同熱處理方式示意圖,除了傳統的熱處理技術外,也可以例如AlCl3表面處理等方式,來提升玻璃表面的機械與化學性質。

圖三、熱增強玻璃之不同熱處理方式
圖三、熱增強玻璃之不同熱處理方式
資料來源:Technische Universitat Bergakademie Freiberg

太陽能電池用玻璃的技術發展趨勢
未來太陽能電池用玻璃的重點研發方向,包括高透明度玻璃技術、降低成本、增強玻璃表面抗反射能力、增強玻璃表面導電能力(薄膜太陽能電池)、進一步提升玻璃的機械強度與耐候性質等。不論太陽能電池用玻璃經過什麼樣的處理或改變,基本上必須符合相對應的國際標準,以表面有抗反射鍍膜處理的抗反射玻璃(如圖四所示,AR Glass)做個例子,新開發出的抗反射玻璃適不適用,必須經過表一所列的各種檢驗。

圖四、抗反射玻璃
圖四、抗反射玻璃
資料來源:CentroSolar Glas

表一、以抗反射玻璃(AR Glass)為例,太陽能電池用玻璃須符合相對應的國際標準
表一、以抗反射玻璃(AR Glass)為例,太陽能電池用玻璃須符合相對應的國際標準

(資料來源:CentroSolar Glas) 

全球生產的平板玻璃(一次製造與二次加工製造),大約70%應用於建築物,未來如果太陽能電池模組能廣泛的被使用成為建築物結構的一部份(即所謂的BIPV (Building Integrated PhotoVoltaic)),則太陽能電池用玻璃將有更廣泛的發展空間。隨著節能、安全、環保等觀念的普遍化,平板玻璃建材已不僅作為隔離、採光的材料,更朝著能調節溫度、節約能源、安全環保、減少噪音的方向升級,尤其在一些安全、環保等法規陸續落實的情況下,普通平板玻璃的升級已成為國際玻璃產業的發展趨勢,具有節能、生態等功能的玻璃建材,未來可望全面取代目前仍佔大多數的普通玻璃,圖十所示一個包含太陽能電池、能夠自潔、節能的玻璃系統已替玻璃產業,勾畫出未來的一個可能發展遠景。

作者:林景熙、林江財、蔡松雨 /工研院太電中心
出處:材料最前線 / 材料世界網

★詳全文請見下方附檔


分享