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推動臺灣太陽能電池產業─進入超高效率電池的關鍵技術

2016/06/05 經濟部能源局 點閱人次: 700

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撰文/翁敏航博士、葉昌鑫博士、黃俊凱、蔡潔娃(金屬工業研究發展中心) 圖片提供/金屬工業研究發展中心

近來國際太陽光電產業發展步調趨緩,唯有提升現有矽晶太陽電池效率,才有可能降低生產成本,突破產業困境。金屬工業研究發展中心自主開發「異質接面矽基太陽電池」之設備與製程,突破原廠專利之限制,提升我國高效率太陽能電池的研發技術,也促進國內產業鏈之建立。

最具前瞻性的太陽能電池

具有本質薄膜的異質接面(Heterojunction with Intrinsic Thin Film, HIT)矽基太陽電池(下圖),是由日本Sanyo公司(現已併入Panasonic公司)所提出,為近10年來最前瞻的高效率矽基電池。使用N型單晶矽基版的HIT矽太陽電池,並不會有使用P型多晶矽基版的傳統太陽電池常見的光誘發衰退及電勢誘發衰退現象。目前HIT太陽電池效率已突破25%效率。然而產業化的最大挑戰在於,HIT太陽電池製程與真空設備有高度相依性,其中電漿增強式化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)與反應式電漿沈積(Reactive Plasma Deposition, RPD)設備占7成以上成本,市面上也尚無標準統包(Turnkey)設備,且原創專利幾乎都掌握在日本大廠手上。

因此,臺灣業者在發展HIT太陽電池時,需要有國產自主化設備的開發,才有機會大量降低設備成本;且關鍵專利的迴避與布局幾乎無可避免,以新式自主開發的設備與製程建立有效的專利,來突破專利的箝制。如此方能使臺灣在太陽光電產業上成為世界具有一流競爭力的國家。

自主研發,建立國內產業鏈

為了克服原廠高價之PECVD整線設備與國外關鍵專利限制之問題,金屬中心技術團隊結合了多位電子、電機、光電、機械、材料等研究人員,進行異質接面矽晶太陽電池之新製程方式與相關研發試量產整線研發。在異質接面(I/P/I/N)鍍膜設備(上圖),利用超高頻40.68MHz電漿成長高品質、低缺陷的本質非晶矽薄膜層;在透明導電膜(AZO/GZO等)鍍膜設備(右圖),利用離子蒸鍍電漿成長低溫高品質的透明導電薄膜層;並整合前段的清洗與蝕刻、後段的網印等設備成整線研發輸出設備。

研發工作包含了設備腔體內關鍵射頻電極、擴散板與加熱板,並整合射頻產生器、射頻阻抗匹配器、真空管路、控制系統、氣體流量控制系統以及製程控制介面等。使用超高頻電漿源之優點在於可同時提升電子密度並降低離子轟擊能量。前者可增進鍍膜速率,後者則可避免薄膜損傷,確保薄膜品質。所有的設備從設計、製造、組裝到製程驗證,都將在國內自行完成,因此也能促進國內產業鏈的建立,降低生產成本。藉由專利或技轉方式,推廣至國內終端太陽電池產品及國內太陽電池製造廠技術量能。

土地需求小,發電有效率

若成功開發出高效率23%HIT太陽能電池,預期國內的太陽能電池年產量可由7GW提升至35GW,擴大臺灣太陽能電池全球市占率,提升產業競爭力。以國內每人需要1KW的用電規模而言,5口之家需要5KW,亦即需要22.72平方公尺的土地面積,相較於使用原先18%的矽晶模組需要27.77平方公尺的面積,可大幅降低土地的使用,亦可以提高民眾的使用意願。對1GW的模組安裝量而言,使用23%HIT太陽電池模組,比起傳統的19.5%電池模組,在相同的土地面積下,能增加15%的功率發電。以每天5小時的發電來看,每天CO2的排放量將可減少3.75噸,而整年將可減少1,368.75噸的CO2排放量,有助於臺灣早日達成低碳綠能國家之願景。


關鍵字:太陽能電池,HIT,PECVD,低碳綠能

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