III-V族太阳电池的现况与展望.doc

III-V族太阳电池的现况与展望III-V族太阳电池的现况与展望 之一最近国内投资市场有关III-V 族太阳能电池议题逐渐升温！因为硅晶太阳能的原料缺货情况仍不得纾解，具有远见的企业家看到了硅晶太阳能空出来的市场商机，勇敢的展开新的冒险之旅。III-V 族太阳能价值链上游核研所, 全新, 华上, 晶电, 禧通, 佰鸿, 亿光, Solfocus, Emcore, Spectrolab, Sharp, Concentrix,中游太聚 , Solfocus, Emcore, Sharp, 东贝模组核研所 , 华旭环能, 海德威, 台达电系统Concentrix, Sunball, Amonix, Sharp, Daido Steel, Solar Systems, Sol3g, Guascor Foton, Green & Gold Energy图表:III-V 族太阳能价值链 国内太阳能电池领域投入者众,除了大家熟知的单晶与多晶硅太阳能电池(主要的领导厂商包括中美晶,绿能,茂迪,亿通等),以及联电集团等投入的非晶硅薄膜太阳电池之外, 聚光型砷化镓太阳能电池也逐渐受到重视,主因台湾在砷化镓半导体这一领域过去已经培养相当多人才,同时近年国内相关LED厂的营运实力颇佳,有足够的资源投入III-V族太阳能电池领域. 在高聚光型III-V太阳电池领域,国内目前已逐步发展成几个小Groups,包括台达电在今年(2007)三月与Spectrolab技术合作,开发完成聚光型III-V太阳能电池（CPV）下游接收器模组. 被波音併购的 Spectrolab生产的砷化镓半导体太阳能晶片,市佔率全球市佔率接近70%.但是,最近美国政府管制砷化镓半导体太阳能晶片出口,使得国内厂商想要採购相关晶片困难度提高. 另外,则是以台湾核能研究所为核心,包括投入上游製程的全新光电,中游製程的新创公司太聚能源与东贝光电,以及下游模组华旭环能.其中华旭环能是由原核研所III-V族太阳电池研发团队为核心,以及华上光电转投资成立,而太聚则是由原稳懋半导体吴总经理创立.至于华上光电的砷化镓太阳电池磊晶研发进度,二种介面的转换效率约25%,目前正积极研发三种介面的晶片, 希望转换率能达到30%,才有机会进一步量产.还有海德威与禧通, 两家公司申请了具有微共振腔之太阳能电池美国与台湾专利,主要原理是企图利用微共振腔,让光束在微共振腔内震盪,使得光可在微共振腔内被有效吸收及转换成电子.这个概念与目前核研所等发展的高聚光型III-IV太阳电池有非常明显的区隔, 目标市场锁定在可携带型太阳电池.目前禧通的生产的砷化镓半导体太阳能电池CPV,外型与LED类似, 已开始嚐试在市面上铺货.此外,佰鸿则选择与砷化镓磊晶大厂kopin, 合作发展III-V族聚光型太阳能晶片;亿光也计画投入聚光型太阳能电池封装与接收器製作.III-V族太阳电池目前仍待克服的问题包括:晶片价格过高, 嚐试解决方法包括提高持续研发新的半导体材料与製程, 提升转换效率,以及减少材料使用,包括回收基板,降低生产成本. 另外,就是採用高聚光系统! 高聚光系统,虽然可以有效降低太阳能发电系统的单位发电成本,目前有部分厂商宣称在一定规模下,每瓦发电成本可以降到3美元,比硅晶太阳电池68美元便宜.但是高聚光系统也会延伸出其他问题,如透镜聚焦后晶片产生高温,必须降温,还有晶片在高温下的使用寿命问题,也必须解决.另外, 还必须追日聚焦,让通过透境的光线能够持续聚焦在小小的晶片上,不过如果是在像台北这样的都市,由于阳光漫射情况严重, 光线就不容易聚焦, 转换效率就会打折扣,目前在地面使用高聚光太阳能发电系统还是以沙漠地区最被看好, 例如蒙古与澳洲等地方.除此之外,台湾厂商目前才刚起步,半导体晶片转换率离国际大厂还有一段距离,美国政府也持续在管制相关高转换率技术,因此,实际量产的晶片转换率与高聚光太阳能发电系统成本是否能有市场竞争力,还是未知数!不过部份国外研究机构仍看好III-V族太阳电池在10年后(2017)的市佔率可以维持1015%,相对于硅晶片的市佔率将减为30%,薄膜太阳能电池也有30%的市场空间,另外有机与染料敏化太阳能电池则有2030%的可能空间.本文编辑作者:泓能高晓龙III-V族太阳电池专利佈局台湾核研所(一) 表一:核能研究所台湾专利虽然III-V族太阳电池在太空上的应用已有长期的历史，但是在地面上的发电利用仍为一种新兴产业。由于近年来太阳电池市场快速成长，加上硅原料供应不足，非硅基太阳电池与相关技术相继获得重视，因此聚光型GaAs太阳电池也呈现相对的重要性。 美国GaAs太阳电池的主要厂商为Spectrolab与Emcore两家公司，我国主要研发机构为原子能委员会核能研究所，这些公司与机构已经展开相关专利的佈局，值得注意与研究。核能研究所台湾专利核能研究所从2003年开始从事GaAs太阳电池研发工作，迄今为止已经在台湾申请8篇相关专利，其中两篇仍在公告中，其馀6篇已经通过。这些专利中，有三篇属于製程方面的发明，一篇为模组组件的技术，其馀4篇为系统组件的技术(如表一 )。III-V族太阳电池专利佈局台湾核研所(一) 表一:核能研究所台湾专利虽然III-V族太阳电池在太空上的应用已有长期的历史，但是在地面上的发电利用仍为一种新兴产业。由于近年来太阳电池市场快速成长，加上硅原料供应不足，非硅基太阳电池与相关技术相继获得重视，因此聚光型GaAs太阳电池也呈现相对的重要性。 美国GaAs太阳电池的主要厂商为Spectrolab与Emcore两家公司，我国主要研发机构为原子能委员会核能研究所，这些公司与机构已经展开相关专利的佈局，值得注意与研究。核能研究所台湾专利核能研究所从2003年开始从事GaAs太阳电池研发工作，迄今为止已经在台湾申请8篇相关专利，其中两篇仍在公告中，其馀6篇已经通过。这些专利中，有三篇属于製程方面的发明，一篇为模组组件的技术，其馀4篇为系统组件的技术(如表一 )。III-V族太阳电池专利佈局美国 Spectrolab( 二 )PAT. NO.YearTitle5,508,2061996Method of fabrication of thin semiconductor device5,460,6591995Concentrating photovoltaic module and fabrication method5,425,8161995Electrical feedthrough structure and fabrication method5,391,2361995Photovoltaic microarray structure and fabrication method5,330,5851994Galliumarsenide/aluminum gallium arsenide photocell including environmentallysealed ohmic contact grid interface and method of fabricating the cell5,100,8081992Method of fabricating solar cell with integrated interconnect5,034,0681991Photovoltaic cell having structurally supporting open conductive back electrode structure, and method of fabricating the cell4,838,9521989Controlled reflectance solar cell4,829,2691989Harmonic plasma switch4,710,2541987Process for fabricating a solar energy converter employing a fluorescent wavelength shifter4,703,5531987Drive through doping process for manufacturing low back surface recombination solar cells4,698,4551987Solar cell with improved electrical contacts4,694,1151987Solar cell having improved front surface metallization4,561,5411985Carrier system for photovoltaic cells4,385,4301983Method of forming an energy concentrator4,301,3211981Two-axis focusing energy concentrator200602834972006Planar concentrating photovoltaic solar panel with individually articulating concentrator elements200602433192006Clustered solar-energy conversion array and method therefor200602311332006Concentrating solar collector with solid optical element200601857132006Solar panels with liquid superconcentrators exhibiting wide fields of view200501033742005Solar power collection with near infrared wideband reflector coating200500452242005Solar cell, module, array, network, and power grid200400893392004Solar cell structure with by-pass diode and wrapped front-side diode interconnection200400840772004Solar collector having an array of photovoltaic cells oriented to receive reflected light200400566482004Methodand apparatus for measuring photoelectric conversion device, andprocess and apparatus for producing photoelectric conversion device200302135142003Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies200300752132003Stationary photovoltaic array module design for solar electric power generation systems表2. Spectrolab, Inc. 美国专利Spectrolab, Inc. 美国专利Spectrolab成立于1956年，可说是最早从事太空用太阳电池开发与生产的公司。根据美国专利与商标局的资料库，从1981年到1996年总共通过16篇专利，然后就停止申请作业，一直到2003年才又有新专利出现。尤其是2006年，一年内就获得4篇专利，显然与近年来太阳电池市场蓬勃发展。该公司早期的专利以製程与组件结构为主，近期则集中于聚光机制，有助于地面用发电系统的商业化。III-V族太阳电池专利佈局美国 Emcore ( 三 )PAT. NO.YearTitle17,115,8112006Semiconductor body forming a solar cell with a bypass diode27,071,4072006Method and apparatus of multiplejunction solar cell structure with high band gap heterojunction middle cell36,864,4142005Apparatus and method for integral bypass diode in solar cells46,680,4322004Apparatus and method for optimizing the efficiency of a bypass diode in multijunction solar cells56,617,5082003Solar cell having a front-mounted bypass diode66,600,1002003Solar cell having an integral monolithically grown bypass diode7200700798632007Reliable interconnection of solar cells including integral bypass diode 表3. Emcore Corporation 美国专利Emcore Corporation 美国专利Emcore于1998年成立光电部门，1999年开始供应太空用太阳电池， 2003年起获得相关专利，迄今为止共有6篇专利，另外有一篇正在美国专利与商标局进行审查。该公司专利的特色全属製程技术，尤其着重在不同电池层之间的过渡层，同时衍伸至製程设备的保护。III-V族太阳电池製程介绍图一: 週期表中III-V族元素III-V族太阳电池係指元素週期表中第III族与第V族元素组合成具有光电效应的元件，此种元素如图一所示，可以形成二元三元或四元组合，例如GaAsInNAlInPInGaPAlGaAsP等。虽然种类繁多，但是以GaAs应用最广，也最重要。GaAs太阳电池的高效率特性图二聚光与未聚光状况电池面积的比较 GaAs具有非常优异的吸光特性，因此只需要几个 mm 的厚度，就可吸收相当于200-300mm单晶硅的阳光；同时GaAs的能源转换效率较高，可达到25-30%。此外，GaAs的抗热性较优，适合应用于聚光系统，在高温时的发电效率下降较慢；而且GaAs的抗辐射性较强，符合太空应用的环境，成为太空船与人造卫星的理想电源。 利用GaAs製造太阳电池的最大问题在于成本过高，在地面上使用时常结合聚光系统以减少电池面积，如图二所示，如以聚光镜装置将阳光聚集1,000倍时，则电池面积大为缩小，因而可以降低电池费用。但是通常聚光装置需要加装日照量感测器与阳光追踪系统，因此模组封装方式与平板式模组不同，而且系统安装也较複杂。虽然如此，聚光型GaAs太阳光电系统的技术仍是进展快速，未来市场潜力相当乐观。GaAs太阳电池产业结构与製程图三:GaAs太阳电池产业结构与製程 GaAs太阳电池的产业结构如图三，上游为Ge金属纯化与长晶，中游为电池製作与模组封装，下游为发电系统工程安装与应用产品。由于目前GaAs电池的主要市场为航太工业，高阶产品常被美国与欧洲政府列入管制输出项目，因此相关报告文献与技术资讯较难收集；还好地面发电应用属于一般性商业市场，军用技术有逐渐转为民用的趋势，可加快推广应用的脚步。GaAs太阳电池製程说明锗（Ge）只有少量存于矿物中，主要商业生产方式係由炼锌炉的炉灰与煤碳锅炉的炉渣中萃取，转化成GeCl4后进行分馏纯化，接着水解变成GeO2，再用氢气还原，可得到冶金级的锗。如图三所示，要得到太阳电池级的锗，需要利用CZ长晶炉，不但温度控制非常重要，而且操作速度相当缓慢；后续的切晶与磨晶较为单纯，如此即可得到锗晶圆板，以做为太阳电池厂的原料。GaAs太阳电池的製程中，最重要者为利用MOCVD（有机金属化学气相磊晶法）在锗基板上以连续堆垒方式，依序成长Ge层GaInAs层与AlGaInP层，以及连接各层之间的过渡层。这些接合层的元素组成与晶型品质控制非常困难，决定吸收光谱分布与发电效率，往往成为技术开发的瓶颈与产品良率的关键。最后只需在上下两端镀上引电电极与涂佈抗反射层，即可得到太阳电池成品。有关GaAs太阳电池的模组封装，由于配合聚光的设计，首先需要利用雷射切割成小片，接着将电池固定于基板，基板需要考虑散热的设计。模组的上端为聚光装置，外框必须配合採光与聚光设计，将光线引至太阳电池。此种模组的组装以手工为主，机械为辅，生产速度显然较平板式模组慢，而且成本也较高。GaAs太阳电池结构演进图四:单层与三层式GaAs太阳电池结构早期GaAs太阳电池的基板係直接採用GaAs晶圆片，但是由于成本的考量与晶态的匹配，美国两大生产厂商，Spectrolab与Emcore公司，都是改用Ge基板。如图四所示，上述两家公司在1995年以前的GaAs太阳电池都是採用单层式结构，效率约为24%，但是2000年以后全部改为三层式结构，效率可达到35%以上III-V族太阳电池的现况与展望 之二核能研究所III-V族太阳电池研发概况( 一 ) 图一:计画目标与时程规划（摘自专桉计画书）原子能委员会核能研究所早期曾从事硅基太阳电池的研发，后来进行III-V族光电元件磊晶成长、元件製作与封装测试等工作，同时在III-V族半导体雷射及光敏二极体也有相当基础，因而累积不少III-V族太阳电池相关人才设备与经验。民国九十二年起，核研所开始推动能源技术发展科技发展专桉五年计画，将III-V族太阳电池列入研发项目，正式将台湾带入此种新兴科技领域，也引发国内一些LED光电厂商加入行列，共同参与与开发产品。一目标与时程规划根据专桉计画书的内容，核研所的第一个五年计画，目标与时程规划如(图一)，将开发效率达35% 的堆叠式太阳电池，250倍聚光器，建立性能量测实验室，以及完成模组组装与示范性发电系统。民国九十七年度开始的第二期五年计画，将建立太阳电池量产技术，并提升效率至45%，同时进行模组量产与建立3 kW发电系统，以及开发低价基板材料等新技术。二工作项目与内容原订民国九十二年至九十六年的分年工作项目与内容整理如表一，太阳电池效率将逐年提高，模组组件也将持续开发完成，并进行产品性能的相关测试与验证。表一:工作项目与内容（整理自专桉计画书）年度工 作 项 目 与 内 容92n 进行InGaP及GaAs单一接面太阳电池研製，以获得最佳磊晶层结构、厚度与掺杂等参数。n 建立太阳电池特性量测系统，量测短路电流、开路电压、能量转换效率，与填充因数 (Fill Factor) 等特性。n 进行电池正面电极图样设计，使串联电阻与遮光率取得最佳平衡。n 建立太阳电池电极电镀设备与技术，以改善串联电阻。93n 结合InGaP及GaAs单一接面电池製作结果，进行InGaP/GaAs双接面堆迭式太阳电池雏型研製，以达到效率20%以上为目标。n 建立MgF2/ZnS双层抗反射镀膜技术。n 完成太阳光模拟器之建立，以1500 sun为目标。94 n 进行多接面堆迭式太阳电池研製，效率达到25%。n 完成聚光器透镜设计与製作。n 完成聚光模组冷却系统设计与製作。95 n 完成多接面堆迭式太阳电池製作，效率达到30%。n 建立太阳电池封装技术。n 完成聚光型太阳电池模组设计与雏型製作。n 进行太阳电池应用推广。 96 n 完成多接面堆迭式太阳电池製作技术精进，提昇效率达35%以上。n 完成聚光型太阳电池模组製作与改良。n 完成产品验证与推广。高聚光型太阳电池系统的主要元件图片来源:Spectrolab为了让价格昂贵的砷化镓半导体太阳电池(cell)能够在陆地上使用, 因而发展出高聚光型太阳电池系统(CPV),目的就是希望能降低价格,有效运用砷化镓半导体太阳电池的高转换率(一般30%)特性. 高聚光型太阳电池系统(CPV)的主要元件, 包括砷化镓(GaAs)半导体晶片(Solar Cells), Receiver(光接收电池基板),透镜与太阳光追踪器.高聚光型太阳电池系统(CPV)的主要原理是使用透镜, 将阳光高倍率聚焦在一个比透镜面积小的砷化镓(GaAs)半导体太阳电池上,同时使用太阳光追踪器, 来追踪日射角度, 让阳光能够随时聚焦在太阳电池(cell)上, 达到高的转换率.不同太阳电池的转换率比较从上图可以看出,III-IV族太阳能电池(mutijunction concentrators)的转换率最高, 其中 2006年波音子公司Spectrolab已经研发出转换率41%的砷化镓太阳能.相对单晶硅太阳电池的转换率, 目前表现最好的大约在25%左右;而在薄膜太阳能电池方面,目前是以CIGS(铜、铟、钾、硒)化合物为原料的薄膜型太阳能电池,转换率最佳,可超到15%;台湾目前投入比较多的非晶硅 Amorphoussilicon (a-Si:H)太阳能的转换率则在10%附近.镓, 够吗? 砷化镓太阳能有明天?前几天2007台北国际能源环保暨水科技展,公司同事有带回一份资料,是工研院能环所陈镱夫博士负责开发的技术,複合金属废弃物(砷化镓)回收技术,能够回收产製纯度达99.99%之镓金属.可应用在光电与通讯产业含砷化镓废料处置. 目前该项技术已技转给高雄昌冠企业.为什麽镓要为收?!因为值钱,而且可能不够用.全球稀有金属资源濒临枯竭吗? 答桉不一,主因全球稀有金属资源拥有者对铟和镓等贵重金属的现状持保密态度。那砷化镓半导体太阳能业者该如何面对这项未来可能必须面对的挑战?根据业者的说法:其一.根本没有不够用的问题吗! 国外业者与供应商都说安啦!其二.想办法减少稀有金属用量,甚至回收再利用基版. 这部分可从国科会原能会科技学术合作研究计画,核能研究所96年度研究重点中,看出一些可以努力的方向,应用磊晶层剥离技术,製作低成本可绕式太阳电池对III-V 族太阳电池而言，Ge 基板佔总费用40%，该计画主要目标是建立太阳电池磊晶层剥离技术，使Ge 基板能重複使用。1.建立包含牺牲层(sacrifical layer)之新式太阳电池磊晶结构。2.配合选择性蚀刻液，建立快速蚀刻技术。3.完成蚀刻条件相关参数之研究，提出最佳化计磊晶层剥离条件，以达到降低太阳电池造价之目标。III-V族太阳能电池发展简史年 法国科学家贝克勒尔发现“光生伏打效应”，即“光伏效应”。年 韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，