多界面串叠式化合物半导体 太阳能薄膜电池的发展.doc

多界面串叠式化合物半导体太阳能薄膜电池的发展全球科技与经济活动快速发展，致使人类能源需求激增，加上大陆、印度和其它国家对化石燃料的需求，未来能源不足现象已浮现。目前，专家提出许多方案，试图降低化石燃料使用及排放，也包含制定相关的能源政策，但这些方案似乎仍然有限，因此，不得不转而研究开发绿色能源 绿色能源来源相当多，若改用取之不尽、用之不竭的太阳能，自然成为最佳选择，问题是，太阳能发电先天缺点就是转换效率不彰，发电成本过高，且需要广大面积才能采集到所需能量，如何有效克服这些问题。利用光电效率制作太阳能电池，近期使用的材料是以矽为主的半导体芯片，主要因为矽是地球中含量第2丰富的元素，且太阳光中部分光谱正好满足它的能量需求。不过矽是间接能带隙材料，并非理想的太阳能电池材料，利用矽制作太阳能电池有许多隐忧。矽的制程与耗能的问题？是否真洁净？是否高节能？中国科学院院士简水生曾指出，目前生产多晶矽的企业，一般都采改良西门子法，使用该方法，1千瓦的太阳能电池约需10公斤的多晶矽，需要消耗电能5,8006,000度，所使用的冶金级工业矽，需要消耗电能1,2002,000度，接续生产矽棒、矽锭，需要消耗电能8001,200度，总计耗电能7,8009,200度，耗电量十分巨大。如以上述耗能估计，生产每1,000瓦矽太阳能电池，耗电量将达到7.8-9.2度(千瓦小时)，但1千瓦矽太阳能电池，在20年的寿命里最多仅能产生810度的电；对地球而言，是否是真洁净或高节能？矽产能缺料及材料成本也是1个问题，目前6寸多晶矽料源短缺，价格持续走扬，现货市场已飙到每片逼近11美元甚至更高；太阳能业者认为，这样的价位挑战成本边缘，购买后不见得会赚钱，而且，下游扩产速度仍比上游来得大，加上部分料源合约供料不稳，导致合约签了，预付款也付了，但交货却比承诺少很多。世界的多晶矽严重短缺，过去5其价格从每千克20美元上升到逼近500美元。大陆公司急于填补此缺口。由于有大风险投资，加上急于寻找干净的替代能源，政府所提供条件优渥，20多家公司开始在大陆兴建生产厂。这些新厂总生产能力估计有810万吨，几乎是目前全球产的2倍多。由于其副产物四氯化矽对环境有害，发达国家的多晶矽公司，要回收并循环使用这些化合物，但投资成本巨大，多裹足不前。以多晶矽投产为例，西门子反应器只有约25%的转多晶化效率，且生产1kg矽会有约20kg四氯化矽产出，如经由高温转化成氢化回收三氯矽甲烷，其用电及费用投资很高，不符节能及成本目标，这是值得深思的问题，且三氯矽甲烷的易燃性及腐蚀性问题亦得留意。太阳能业者表示，以某日系多晶矽厂资看，产出1,250吨纯多晶矽，就会附带产出2.75万吨四氯化矽，副产品处理问题，将是新进多晶矽业者一大挑战。目前大厂多采西门子法，预估副产品问题将随著各家厂产能开出而日明显，毕竟四氯化矽为有毒物质。除阳中硅外，四川峨眉、新光矽业等也有产出，预估是2008 步入量产，副产品处理问题也将跟著浮现。Air Liquid宣布矽甲烷价格调涨20%问题，在未来产能持续扩充下，势必会影响矽薄膜成本。目前，已有相关业者研发各种用III-V族元素制造的太阳能电池，将原本以矽元素发展的太阳能电池转换效率不佳问题加以解决，而且利用一些科技，将制造成本彻底压低，并逐渐应用在民生工业上。要提高太阳能电池的发电效率，有几种方式，除用高转换效率的III-V族材料制作太阳能电池，亦可在太阳能模块上加上聚光设备，增强光照强度、提高发电效率；另外，设计1个追日系统，让太阳能电池与太阳光入射方向尽量垂直，增加照光强度。此外，亦可将太阳能电池做成多界面串叠式薄膜，因为太阳能的波长范围非常广，单一界面的太阳能电池仅能吸收某一段波长的光线，若能将多种吸收不同波长光线的薄膜堆叠，就能充分利用太阳光，提高转换效率。III-V族化合物薄膜太阳能电池发展核心要解决上述问题，必须发展3大核心技术，且得具备量产实力！瀚昱能源科技为台湾具备3大核心量产化合物GaAs薄膜太阳能电池业者，技术团队来自于早期工研院次微米中心，并与日本三菱合作化合物半导体多年，并成为其供应链客户Hayashi重要代工伙伴。瀚昱去年6月才成立，在化合物半导体有丰富的量产经验，不同一般同业在量产后才开始找客户，而是承接日本既有代工订单，已取得有利起跑点。化合物半导体的研发与制程III-V族化合物半导体制程技术，足以应用在太阳能电池、高速行动、无线通讯、微波通讯等相关光电及LED运用产业。由于III-V族化合物半导体，具比矽更快速的电子迁移 (Electron Mobility)特性，及更高效率的光特性，过去多运用于卫星工业、太空工业、军事工业上，但在成本及制程等技术的限制下，未能进行商业用途。目前瀚昱能源科技独立研产出台湾自有的技术，并已量产应用于商业领域。包含多界面串叠式化合物半导体太阳能电池芯片、以玻璃或不锈钢为基板的III-V族化合物薄膜太阳能电池、大尺寸面积的化合物薄膜面板太阳能电池。据太阳光谱实现光电转换需求，由分析可知，一般太阳能电池最常用的半导体材料的能带隙在12eV间，而在1.4eV左右可获最高的光电转换效率。而半导体材料又分直接能带隙及间接能带隙，若吸收一样多的阳光，间接能带隙的半导体材料(100um)要比直接能带隙(2-3um)的半导体材料要厚很多。目前瀚昱发展的是以化合物半导体砷化镓直接能带隙为材料，有稳定的高质量量产技术，有效掌握低成本设备及厂房，大幅降低生产成本，目前GaAs材料供应取得无虞。众所周知，III-V族化合物半导体最大的成本来源为GaAs/Ge基板，及金属制程所用到的材料”金”(Au)；为有效降低上述成本，可利用制程技术研发，将基板用玻璃或不锈钢代替，以相关制程取代贵重的”金”作为Conducting材料，可解决III-V族化合物薄膜太阳能电池成本过高问题；目前成本已可降低7成以上。发展以大面积为主的薄膜制程，目前主轴为非晶矽薄膜(Amorphous)制程，然而非晶矽的矽原子排列完全没有规则可循，电子、电洞在原子间移动的速率更低。不过非晶矽的优点是反射率较低，也就是吸收率比结晶矽高很多，所以只要薄薄的1层即可制作，相对的，材料成本会很节省，但这种薄膜电池的供电不稳、可靠度低，转换效率差(48%)，因此，降低应用意愿。要提高发电效率，除聚光应用外，亦可利用增加照光面积，有效缩小照光上层不透明电极，减少被不透明电极遮蔽的面积。目前，瀚昱已发展大面积(500x500mm2)不锈钢基板砷化镓薄膜太阳能电池，转换效率达1518%。未来，此种产品若能将成本控制在每瓦12美元、转换效率提升至20%以上，应用面将会非常乐观。聚光型模块的核心技术因应III-V族砷化镓特性成本竞争优势而发展的聚光模块，使聚光更准确集中，可产生更大的能源转换效率，藉由聚光放大特性，将整体的转换效率再提升5%，聚光模块达600倍的聚光型太阳能电池技术，透过独特机构使散热及光学能充分的发挥，而不影响能源集中后产生的热及效能消耗，更能使机构拥有耐久性、效能性。追日系统的核心技术无需耗电的追日机构动作概念，是靠驱动动力源(两侧间有动力连结)，当太阳从东方升起，因为遮光关系，太阳光只照到重量较重而垂在下方的压力源，但照不到上方重量较轻的压力源，因为热膨胀关系，下方的压力源会将液体透过动力连结，将液体推压至上方被遮蔽的压力源，因为重量关系，平台开始以顺时针方向旋转，此时被动追日机构会随太阳轨道而呈逆时针方向偏摆。当太阳继续往西移动，被动追日机构两侧，也因要维持压力均等，而将液体往另一侧推挤，此时两侧重量差异会使平台持续随太阳轨道偏转，直到太阳落下，停在偏转的起始位置，等待隔日早晨，太阳再度由东方升起，被动追日机构再依顺序，每日周而复始运作。低耗能式主动型追日系统：利用光谱分析原理，研发出主动型追日系统。可更有效的拉长日照能源运用时间，再配合聚光核心技术，有效提高转换效率、降低成本。被动追日发电系统与主动追日发电系统最大的差异是，被动追日发电系统完全不需电力驱动，可以将太阳能电池转换电力完全储存。太阳能发电系统上的太阳能板如为固定式，太阳能板无法与阳光入射方向保持垂直，发电效率不高，以追日系统搭配太阳能发电系统，令太阳能发电系统上的太阳能板可追踪太阳方位，有助于使太阳能板吸收较多的光强度。而若使用马达驱动方式追踪太阳，则成本高昂且耗电过多，亦损及太阳能板的发电量。市售的马达式追日系统，普遍需耗费发电功率的510%，因此，除非加大追日系统的太阳能板承载量，使追日系统耗费发电功率比例降低，另则尽量降低追日系统的耗电功率。被动追日发电系统，除可应用于聚光型模块系统外，亦可应用于任何需要追日的太阳能系统上，以增加光照度。新世代技术优势现今的太阳能电池，由于发电效率及成本过高影响，使用并不普遍，但随石化能源的日渐枯竭，回归使用免费的太阳能，应是人类必经之路。但如何加速科技发展，让太阳能或其它能源能在石化能源耗尽前，发展到足以满足人类所需，已经成为人类生存发展的重要课题。以III-V族化合物半导体为基础的多界面串叠式薄膜太阳能电池、及衍生的聚光型模块的封装散热技术、追日系统技术等，由于聚光后光伏转换效能超过30%，加上追日系统可在每日平均光照8小时时间充分取得转换电能，相较于固定