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高效率鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池技術

2020-10-09

廖學中  共同創辦人

前創科技股份有限公司


        依照國際 World Energy Council 單位對於人類未來 50 年能源需求預測,大約會從目前的 15 兆瓦(Terawatt, TW)上升到 30 兆瓦,這樣的上升相當於每一天增加 10 億瓦(gigawatt, GW),等於人類必須每天蓋一個 1GW 的核電廠, (台灣核三廠大約是 1.9 GW),才可以滿足未來 50 年的能源需求缺口,然而不幸的是,目前供應全世界超過 80%的能源石油、煤等化石燃料的蘊藏量在未來 50 年急遽下降,及對環境造成污染問題,進而產生溫室效應等氣候問題,對於未來能源的供給,再生能源扮演非常重要的角色。全世界高度發展國家(包含台灣)都將再生綠能項目放在能源政策中的重點,在目前政府致力於朝向 2025 年達再生能源發電占比 20%的政策目標下,新型綠能的發展至為關鍵。在所有替代性能源 (太陽能、水力、風力)中,太陽能由於場地限制小,可以隨時發電, 即用減少電力傳輸時的損耗且沒有噪音,供電時間亦符合人類用電尖峰時段,能源儲存問題較小,故較風力或水力發電更受青睞,地球一年的接收太陽光照射量約為未來50年能源需求的200倍,若能善加利用太陽光,則有相當潛力能解決未來的能源危機,且目前太陽能佔全世界能源生產比重非常低,仍具發展空間;現今太陽能領域已有許多公司成立開發及研究,即便成本非常低廉,但主要問題來自於效率值的停滯。

圖1 鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池之元件結構示意圖

        電力均化成本 LCOE (Levelized Cost of Energy) 是在衡量發電方式時,最普遍被用以作為電力發電成本的量化指標,太陽能 LCOE 與傳統石化能源仍然呈現約 1.5~2 倍的價差,價格差異是造成太陽能發電無法全面普及的最重要原因,因此,全世界各國的太陽能系統裝設,仍然仰賴各國政府的政策性補助,但是政策性補助有其不確定性以及擴張受限性,太陽能發電產業界之共同目標是使太陽能發電成本不靠政府補助就能跟傳統石化能源競爭,也就是市電同價,回歸真正的市場機制才會有爆發性的發展。若考慮太陽能系統的整體發電成本,太陽能模組單片價格只佔了電力均化成本的 12%,其他成本佔了88%的成本,因此,持續降低太陽能電池或是模組的製造成本,並非為最有效減少太陽能系統發電成本之方法,由太陽能發電成本結構分析,若是太陽能模組製造成本降低20%,整體的太陽能發電均化成本僅可下降3%,然而,若是能提升太陽能模組能量轉換效率20%,將可以使太陽能發電均化成本下降17%,由此數據可知,提升太陽能電池能量轉換效率為達到市電同價最有效之方法。矽晶系統太陽能電池,身為市場市佔率的領先系統,近年即不斷在提升能量轉換效率上努力,從PERC,HJT等電池技術的開發,然而光伏領域都在觀望,下一代可以大幅提升太陽能電池的技術。

        鈣鈦礦為在可見光有極高吸光能力的太陽能材料,本身具備高效率(最高值可超過25%)及可低成本溶液製程的優勢,且可透過其材料組成來改變吸收波段因此可以與現有市場矽晶系統進行疊層,將兩種不同系統之太陽能電池整合於同面積,藉由鈣鈦礦以及矽晶對於太陽光不同波段分別進行利用,有潛力將原先傳統的太陽能發電轉換效率提升至40%以上,如圖1所示。此外,鈣鈦礦電池屬於薄膜電池系統,在陰天弱光的天氣下相較於矽晶電池有更高的能量轉換效率,因此在與矽晶進行疊層時,可以更有效補足陰天日照,以及太陽非直射時的能量轉換,讓相同日照面積下可以獲得最多的能量,以上優勢都是鈣鈦礦電池技術,成為近幾年被極度看好可以改變太陽能產業的新興技術。

圖2 大面積鈣鈦礦太陽能製作設備及成品。

        目前全世界已經有多個團隊投入此類疊層太陽能電池,已在實驗室小面積製程以及元件中,證實鈣鈦礦/矽晶電池疊層的概念可行性,然而下一步最大的挑戰在於: (1)規模化,提升其元件面積以及,(2) 提升其使用壽命。面對此些困難,台灣大學材料工程學系林唯芳教授團隊,研究新世代太陽能電池已超過二十年,近十年開始投入鈣鈦礦太陽能電池之技術研發,先後執行數期科技部能源型國家計劃,從最基礎的材料科學出發,建立鈣鈦礦電池材料化學基礎知識,延伸至元件開發以及基礎元件物理知識,基於階段性研發成果之技術轉移與新公司成立,於2014年共同成立新創公司前創科技股份有限公司,為了實現商品化以及產業化的終極目標,實收資本額 1200 萬,並且榮獲科技部「創新創業激勵計畫」的創業傑出獎,致力於新興材料以及太陽能電池技術開發,以及穩定的鈣鈦礦材料源頭供應商。前創團隊在獲得創業傑出獎後,持續進行鈣鈦礦技術的研究開發,在國際知名市場調查 IDTechEx報告中,被列為全世界前十大鈣鈦礦研發單位,台灣大學林唯芳教授團隊與前創科技目前組成的鈣鈦礦研發研發聯盟,在國際市調公司 Lux Research 並列為全世界四大鈣鈦礦研發聯盟。近年林教授擴大研發能量與團隊規模,整合產學研三方,學術單位-台大材料系,台大機械系,長庚材料系,明志科大材料系;研發單位-核能研究所,以及產業代表-聯合再生能源,億尚精密工業,前創科技,一同合作朝鈣鈦礦技術產業化發展方向邁進,期望為台灣建立鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池走向產業化之核心根基及技術。

        本團隊近幾年有發展出許多領先全世界的成果,包括(1)實現四接點鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池能量轉換效率達26.12%,相較於僅矽晶太陽能電池的23.07%提升了13%。(2)於空氣下製程p-i-n結構鈣鈦礦太陽能電池,達20.68%能量轉換效率為空氣下製程下最高效率,(3) 鈣鈦礦微模組開發,能量轉換效率突破15%,(4) 鈣鈦礦微模組耐用度,在IEC標準加速測試下,85oC/85%RH相對濕度超過1600小時壽命,85度至負40度冷熱循環超過120次循環,(5) 利用近紅外光加熱技術可快速加熱的特性,搭配可量產式的狹縫式塗佈法,打造尺度可大於70 cm的鈣鈦礦電池塗佈機台,於大氣下八分鐘完成往返四層連續塗佈製程。本團隊獲選為2018科技部能源科技亮點計畫團隊(圖2),團隊前往台南沙崙參展,團隊期盼持續的研發以及各方資源的挹注下,可以將技術帶入量產以及市場,從材料到製造技術,旨在為台灣建立鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池之產業化核心技術。