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高聚光型太陽能(HCPV)已成為全球太陽能產(chǎn)業(yè)目光新焦點。HCPV擁有高轉(zhuǎn)換效率及低平均化電力成本(LCOE)等優(yōu)勢，極具開發(fā)價值與發(fā)展?jié)摿Γ盐绹?、歐洲、日本及臺灣等地的太陽能業(yè)者和研究單位全力投入研發(fā)，成為太陽能產(chǎn)業(yè)的明日之星。
太陽能電池可大致分為三代，第一代為矽晶太陽能電池，可區(qū)分為單晶矽與多晶矽兩種，商用歷史最悠久，目前矽晶太陽能電池也是市場主流，約占86%；第二代產(chǎn)品則為薄膜太陽能電池，主要構(gòu)成材料分別為非晶矽(Amorphous Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代即為三五族(III-V)電池，如砷化鎵(GaAs)太陽能電池因具有良好的耐熱、耐輻射等特性，被運用于航太工業(yè)已有很長時間。
目前單晶矽太陽能電池轉(zhuǎn)換效率約20%，未來可望達(dá)到25%；多晶矽太陽能電池則約16%，下一代產(chǎn)品將再升至21%。至于薄膜太陽能電池方面，非晶矽電池的轉(zhuǎn)換效率平均僅約7~12.5%，碲化鎘電池轉(zhuǎn)換效率最高約17%，銅銦鎵硒電池則約20%。值得注意的是，三接面III-V族太陽能電池最佳轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到44%，未來更有機會突破50%。
過去III-V族太陽能電池因價格過于高昂，故未被使用于一般地面型太陽能系統(tǒng)或家庭消費性用途，隨著人類對半導(dǎo)體材料的掌握度更高，并搭配聚光光學(xué)元件，如今三接面砷化鎵太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已可達(dá)到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)(HCPV)。
HCPV首重聚光/追蹤系統(tǒng)開發(fā)
HCPV主要元件包括聚光型太陽能電池(即砷化鎵半導(dǎo)體晶片)、聚光型太陽能電池模組(包括光接收電池基板及透鏡)及太陽光追蹤器。目前臺灣核能研究所(簡稱核研所)開發(fā)的三接面太陽能電池由鍺(Ge)、砷化銦鎵(InGaAs)及磷化銦鎵(InGaP)三個不同材料的子電池組成，分別吸收不同波段的光譜。各子電池間藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)連接，所以三接面太陽能電池的電壓為個別子電池電壓的串聯(lián)，電流則局限于三個子電池的最小電流。
聚光型太陽能發(fā)電技術(shù)采用折射或反射式聚光方法，搭配太陽光追蹤器，將直射太陽光匯集入射于小面積高效率太陽能電池表面，使光能轉(zhuǎn)換為電能，達(dá)到發(fā)電目的。由于此種發(fā)電方法可大量減少電池使用量，因此具有降低系統(tǒng)成本的效益，被全球視為第三代太陽能發(fā)電重要發(fā)展項目之一。
聚光型太陽能電池模組主要有三種聚光方式(圖1)，可分為折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)以澳洲的Solar System為代表，相關(guān)系統(tǒng)在使用上有反射鏡不易清潔的問題，且當(dāng)系統(tǒng)故障或偏軸時，容易對人造成危險；而二次反射式聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)則以美國SolFocus為代表，設(shè)計上因具有二個反射鏡面，除增加光線損耗，系統(tǒng)組裝對位也較困難。
圖1 聚光型太陽電池模組三種聚光方式
折射式聚光型太陽能電池模組采用菲涅爾透鏡，將太陽光折射匯入模組內(nèi)之太陽能電池表面，聚焦的太陽光不會外泄造成人員損傷，其一次折射方式，相較于二次反射式聚光，光學(xué)損耗也較少，系統(tǒng)對位較容易。此外，相較于一次反射式(曲面式反射鏡)聚光型太陽能電池模組，折射式聚光型太陽能電池模組的聚光透鏡呈平面型式，較易清潔保養(yǎng)。
太陽光追蹤器結(jié)構(gòu)包含經(jīng)緯度型結(jié)構(gòu)(Polar Tracking Type)及方位仰角型結(jié)構(gòu)(Azimuth/Elevation Type)兩種型態(tài)。
前者的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)單純，制作成本低，在夏至正午時分，太陽每分鐘在西向移動角度變化小，缺點則是追蹤角度范圍較小(最大約60度)。后者有利于追蹤角度范圍較大(仰角80度以上)的應(yīng)用，缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本高，太陽每分鐘西向移動角度在夏至正午時分變化大。
對聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)而言，因要求高追蹤精度，須使用方位仰角型太陽光追蹤器，方可吸收在高斜射角度之太陽光，不致影響系統(tǒng)發(fā)電效能。國際上的主流商品均是方位仰角型太陽光追蹤器。
太陽追蹤控制策略可分為開回路及閉回路兩類，開回路直接使用太陽位置軌跡公式計算，由追蹤控制器將太陽光追蹤器轉(zhuǎn)至定位；閉回路則是追蹤控制器接收太陽位置感測器訊號以判斷太陽位置，而將太陽光追蹤器轉(zhuǎn)至定位，由于太陽位置感測器可將訊號回授控制，故稱閉回路控制。兩種追蹤控制策略各有其優(yōu)點，目前業(yè)界大多采用混合式控制策略。
全球PV大廠力挺 HCPV供應(yīng)鏈加速成形
據(jù)2012年聚光型太陽能發(fā)電技術(shù)與市場預(yù)測報告顯示，盡管全球經(jīng)濟不景氣，聚光型太陽能發(fā)電市場安裝量依然急速成長，在2012年安裝量已達(dá)505MW，至2020年將上看3.9GW。從太陽能電池應(yīng)用趨勢來看，今后聚光型太陽能發(fā)電和薄膜電池的市占率將逐漸增加，追上晶矽太陽能電池的市占率(圖2)。
圖2 2009∼2020年HCPV市場預(yù)測，上圖為HCPV成長率及安裝量；下圖則為與其他方案的比較。
至于高聚光型太陽能發(fā)電成本，據(jù)美國SolFocus指出，當(dāng)每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2?day)時，雙軸式追蹤太陽能系統(tǒng)的平均化電力成本(LCOE)比其他系統(tǒng)優(yōu)異(圖3)；GTM(Greentech Media)Research也認(rèn)為，2020年HCPV的LCOE約為0.08美元/kWh。
圖3 CPV的LCOE成本變化趨勢
看好HCPV市場潛力，不少國際知名公司正全力投入發(fā)展，在III-V族太陽能電池方面有德國AZUR和美國Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模組則有法國Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美國Amonix、Semprius；太陽光追蹤器部分亦有美國Amonix、SolFocus；最后在系統(tǒng)組裝及供應(yīng)方面，則有美國Amonix、Emcore和SolFocus。
臺灣方面以核研所為主，該所與國際、國內(nèi)業(yè)者在HCPV方面的合作已有一段時間，且展現(xiàn)不錯的成效，包括與美國UL簽訂2012?2018年研究計劃，并共同于高雄路竹建置HCPV測試場，執(zhí)行CPV與PV模組發(fā)電系統(tǒng)長期戶外老化測試技術(shù)服務(wù)案。
此外，日本東京大學(xué)研究團隊去年制作出效率20.3%的量子點單接面太陽能電池后，亦選擇與核研所合作，進(jìn)行聚光模組特性驗證。
至于國內(nèi)合作方面，核研所亦全力協(xié)助國內(nèi)廠商拓展海外市場，與億芳能源、綠源科技和禾晶能源，分別就HCPV模組、系統(tǒng)及太陽光追蹤器進(jìn)行技術(shù)合作，爭取各國的再生能源系統(tǒng)開發(fā)案。例如億芳能源已完成阿布達(dá)比綠能城(Masdar City)80kW HCPV系統(tǒng)建置，目前正積極爭取下一期40MW以上的建案。綠源科技、禾晶能源則各自強攻HCPV太陽光追蹤裝置，以及CPV系統(tǒng)，已打入中國大陸、泰國和印度等地的太陽能系統(tǒng)建案供應(yīng)鏈。
成本和效率為HCPV未來突破重點
未來HCPV技術(shù)發(fā)展重點將是降低成本，以提高市場占有率及競爭力。在國際方面，前美國能源部(DOE)部長Steven Chu提出SunShot計劃，期望在2020年前，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本大幅降低，藉此提升太陽能做為主要能源來源的競爭力。
此外，美國能源部亦設(shè)立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)獎，吸引太陽能電池業(yè)者研發(fā)高效率III-V族聚光型太陽能電池的產(chǎn)制技術(shù)，以降低聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本。SUNPATH屬于美國能源部SunShot計劃的一部分，旨在對具有成本競爭力和高性能的太陽能電池技術(shù)持續(xù)進(jìn)行投資，提高美國太陽能產(chǎn)業(yè)的制造能力與市場競爭力，目前Solar Junction已獲得補助。
效率亦是HCPV的發(fā)展重點，核研所近期已提出重大技術(shù)突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模組效率已分別達(dá)到32.5%及31.7%，未來將更精進(jìn)聚光模組效能，以降低系統(tǒng)發(fā)電的單位成本。該所未來亦計劃開發(fā)III-V族多接面太陽能電池技術(shù)、低碳足跡聚光模組等技術(shù)，以克服HCPV各種開發(fā)難題。
提升太陽能電池的散熱效能與降低太陽能電池成本，常為業(yè)界在開拓太陽光發(fā)電應(yīng)用亟欲解決的兩大課題，對此，業(yè)界已研擬采用磊晶剝離方法制作III-V族太陽能電池，以及在矽基板成長III-V族化合物半導(dǎo)體材料的磊晶技術(shù)，進(jìn)一步提升太陽能電池元件的導(dǎo)熱能力，提高太陽能電池在高聚光環(huán)境下的工作效率與穩(wěn)定性。
同時可藉由磊晶基板的重復(fù)使用，以及運用較廉價的矽基板取代鍺基板，縮減電池成本。由于此種HCPV研發(fā)計劃需業(yè)界與學(xué)界緊密配合，因此核研所正積極與晶元光電、臺積電、日本東洋鋼鈑等廠商洽談合作。另外，臺灣經(jīng)濟部能源研發(fā)策略規(guī)畫小組也訂定太陽光電技術(shù)短中長期發(fā)展目標(biāo)，短期將以矽晶及銅銦鎵硒薄膜電池為主，中期將聚焦聚光型及染料敏化電池，長期則將以高分子及銅鋅錫硫(CZTS)薄膜電池為研發(fā)方向。
效率/成本表現(xiàn)亮眼 HCPV發(fā)展掀熱潮
就太陽能電池及模組效率方面而言，目前HCPV獨占鰲頭(電池44%、模組36.2%)；因此，盡管目前太陽能市場仍以矽晶電池占大宗，但國際上皆認(rèn)為HCPV因具有高效率及低平均化電力成本(LCOE)的特性，系未來最具有開發(fā)價值的太陽光電技術(shù)。
現(xiàn)今臺灣在矽晶電池技術(shù)發(fā)展已臻成熟，反觀HCPV技術(shù)尚處發(fā)展階段，且投入企業(yè)屬中小型，尚待政府扶持，以建立具國際競爭力的自主產(chǎn)業(yè)(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及銅鋅錫硫薄膜電池，則還須一段時間發(fā)展，尚未達(dá)到量產(chǎn)階段。
太陽能電池可大致分為三代，第一代為矽晶太陽能電池，可區(qū)分為單晶矽與多晶矽兩種，商用歷史最悠久，目前矽晶太陽能電池也是市場主流，約占86%；第二代產(chǎn)品則為薄膜太陽能電池，主要構(gòu)成材料分別為非晶矽(Amorphous Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代即為三五族(III-V)電池，如砷化鎵(GaAs)太陽能電池因具有良好的耐熱、耐輻射等特性，被運用于航太工業(yè)已有很長時間。
目前單晶矽太陽能電池轉(zhuǎn)換效率約20%，未來可望達(dá)到25%；多晶矽太陽能電池則約16%，下一代產(chǎn)品將再升至21%。至于薄膜太陽能電池方面，非晶矽電池的轉(zhuǎn)換效率平均僅約7~12.5%，碲化鎘電池轉(zhuǎn)換效率最高約17%，銅銦鎵硒電池則約20%。值得注意的是，三接面III-V族太陽能電池最佳轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到44%，未來更有機會突破50%。
過去III-V族太陽能電池因價格過于高昂，故未被使用于一般地面型太陽能系統(tǒng)或家庭消費性用途，隨著人類對半導(dǎo)體材料的掌握度更高，并搭配聚光光學(xué)元件，如今三接面砷化鎵太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已可達(dá)到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)(HCPV)。
HCPV首重聚光/追蹤系統(tǒng)開發(fā)
HCPV主要元件包括聚光型太陽能電池(即砷化鎵半導(dǎo)體晶片)、聚光型太陽能電池模組(包括光接收電池基板及透鏡)及太陽光追蹤器。目前臺灣核能研究所(簡稱核研所)開發(fā)的三接面太陽能電池由鍺(Ge)、砷化銦鎵(InGaAs)及磷化銦鎵(InGaP)三個不同材料的子電池組成，分別吸收不同波段的光譜。各子電池間藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)連接，所以三接面太陽能電池的電壓為個別子電池電壓的串聯(lián)，電流則局限于三個子電池的最小電流。
聚光型太陽能發(fā)電技術(shù)采用折射或反射式聚光方法，搭配太陽光追蹤器，將直射太陽光匯集入射于小面積高效率太陽能電池表面，使光能轉(zhuǎn)換為電能，達(dá)到發(fā)電目的。由于此種發(fā)電方法可大量減少電池使用量，因此具有降低系統(tǒng)成本的效益，被全球視為第三代太陽能發(fā)電重要發(fā)展項目之一。
聚光型太陽能電池模組主要有三種聚光方式(圖1)，可分為折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)以澳洲的Solar System為代表，相關(guān)系統(tǒng)在使用上有反射鏡不易清潔的問題，且當(dāng)系統(tǒng)故障或偏軸時，容易對人造成危險；而二次反射式聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)則以美國SolFocus為代表，設(shè)計上因具有二個反射鏡面，除增加光線損耗，系統(tǒng)組裝對位也較困難。
圖1 聚光型太陽電池模組三種聚光方式
折射式聚光型太陽能電池模組采用菲涅爾透鏡，將太陽光折射匯入模組內(nèi)之太陽能電池表面，聚焦的太陽光不會外泄造成人員損傷，其一次折射方式，相較于二次反射式聚光，光學(xué)損耗也較少，系統(tǒng)對位較容易。此外，相較于一次反射式(曲面式反射鏡)聚光型太陽能電池模組，折射式聚光型太陽能電池模組的聚光透鏡呈平面型式，較易清潔保養(yǎng)。
太陽光追蹤器結(jié)構(gòu)包含經(jīng)緯度型結(jié)構(gòu)(Polar Tracking Type)及方位仰角型結(jié)構(gòu)(Azimuth/Elevation Type)兩種型態(tài)。
前者的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)單純，制作成本低，在夏至正午時分，太陽每分鐘在西向移動角度變化小，缺點則是追蹤角度范圍較小(最大約60度)。后者有利于追蹤角度范圍較大(仰角80度以上)的應(yīng)用，缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本高，太陽每分鐘西向移動角度在夏至正午時分變化大。
對聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)而言，因要求高追蹤精度，須使用方位仰角型太陽光追蹤器，方可吸收在高斜射角度之太陽光，不致影響系統(tǒng)發(fā)電效能。國際上的主流商品均是方位仰角型太陽光追蹤器。
太陽追蹤控制策略可分為開回路及閉回路兩類，開回路直接使用太陽位置軌跡公式計算，由追蹤控制器將太陽光追蹤器轉(zhuǎn)至定位；閉回路則是追蹤控制器接收太陽位置感測器訊號以判斷太陽位置，而將太陽光追蹤器轉(zhuǎn)至定位，由于太陽位置感測器可將訊號回授控制，故稱閉回路控制。兩種追蹤控制策略各有其優(yōu)點，目前業(yè)界大多采用混合式控制策略。
全球PV大廠力挺 HCPV供應(yīng)鏈加速成形
據(jù)2012年聚光型太陽能發(fā)電技術(shù)與市場預(yù)測報告顯示，盡管全球經(jīng)濟不景氣，聚光型太陽能發(fā)電市場安裝量依然急速成長，在2012年安裝量已達(dá)505MW，至2020年將上看3.9GW。從太陽能電池應(yīng)用趨勢來看，今后聚光型太陽能發(fā)電和薄膜電池的市占率將逐漸增加，追上晶矽太陽能電池的市占率(圖2)。
圖2 2009∼2020年HCPV市場預(yù)測，上圖為HCPV成長率及安裝量；下圖則為與其他方案的比較。
至于高聚光型太陽能發(fā)電成本，據(jù)美國SolFocus指出，當(dāng)每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2?day)時，雙軸式追蹤太陽能系統(tǒng)的平均化電力成本(LCOE)比其他系統(tǒng)優(yōu)異(圖3)；GTM(Greentech Media)Research也認(rèn)為，2020年HCPV的LCOE約為0.08美元/kWh。
圖3 CPV的LCOE成本變化趨勢
看好HCPV市場潛力，不少國際知名公司正全力投入發(fā)展，在III-V族太陽能電池方面有德國AZUR和美國Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模組則有法國Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美國Amonix、Semprius；太陽光追蹤器部分亦有美國Amonix、SolFocus；最后在系統(tǒng)組裝及供應(yīng)方面，則有美國Amonix、Emcore和SolFocus。
臺灣方面以核研所為主，該所與國際、國內(nèi)業(yè)者在HCPV方面的合作已有一段時間，且展現(xiàn)不錯的成效，包括與美國UL簽訂2012?2018年研究計劃，并共同于高雄路竹建置HCPV測試場，執(zhí)行CPV與PV模組發(fā)電系統(tǒng)長期戶外老化測試技術(shù)服務(wù)案。
此外，日本東京大學(xué)研究團隊去年制作出效率20.3%的量子點單接面太陽能電池后，亦選擇與核研所合作，進(jìn)行聚光模組特性驗證。
至于國內(nèi)合作方面，核研所亦全力協(xié)助國內(nèi)廠商拓展海外市場，與億芳能源、綠源科技和禾晶能源，分別就HCPV模組、系統(tǒng)及太陽光追蹤器進(jìn)行技術(shù)合作，爭取各國的再生能源系統(tǒng)開發(fā)案。例如億芳能源已完成阿布達(dá)比綠能城(Masdar City)80kW HCPV系統(tǒng)建置，目前正積極爭取下一期40MW以上的建案。綠源科技、禾晶能源則各自強攻HCPV太陽光追蹤裝置，以及CPV系統(tǒng)，已打入中國大陸、泰國和印度等地的太陽能系統(tǒng)建案供應(yīng)鏈。
成本和效率為HCPV未來突破重點
未來HCPV技術(shù)發(fā)展重點將是降低成本，以提高市場占有率及競爭力。在國際方面，前美國能源部(DOE)部長Steven Chu提出SunShot計劃，期望在2020年前，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本大幅降低，藉此提升太陽能做為主要能源來源的競爭力。
此外，美國能源部亦設(shè)立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)獎，吸引太陽能電池業(yè)者研發(fā)高效率III-V族聚光型太陽能電池的產(chǎn)制技術(shù)，以降低聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本。SUNPATH屬于美國能源部SunShot計劃的一部分，旨在對具有成本競爭力和高性能的太陽能電池技術(shù)持續(xù)進(jìn)行投資，提高美國太陽能產(chǎn)業(yè)的制造能力與市場競爭力，目前Solar Junction已獲得補助。
效率亦是HCPV的發(fā)展重點，核研所近期已提出重大技術(shù)突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模組效率已分別達(dá)到32.5%及31.7%，未來將更精進(jìn)聚光模組效能，以降低系統(tǒng)發(fā)電的單位成本。該所未來亦計劃開發(fā)III-V族多接面太陽能電池技術(shù)、低碳足跡聚光模組等技術(shù)，以克服HCPV各種開發(fā)難題。
提升太陽能電池的散熱效能與降低太陽能電池成本，常為業(yè)界在開拓太陽光發(fā)電應(yīng)用亟欲解決的兩大課題，對此，業(yè)界已研擬采用磊晶剝離方法制作III-V族太陽能電池，以及在矽基板成長III-V族化合物半導(dǎo)體材料的磊晶技術(shù)，進(jìn)一步提升太陽能電池元件的導(dǎo)熱能力，提高太陽能電池在高聚光環(huán)境下的工作效率與穩(wěn)定性。
同時可藉由磊晶基板的重復(fù)使用，以及運用較廉價的矽基板取代鍺基板，縮減電池成本。由于此種HCPV研發(fā)計劃需業(yè)界與學(xué)界緊密配合，因此核研所正積極與晶元光電、臺積電、日本東洋鋼鈑等廠商洽談合作。另外，臺灣經(jīng)濟部能源研發(fā)策略規(guī)畫小組也訂定太陽光電技術(shù)短中長期發(fā)展目標(biāo)，短期將以矽晶及銅銦鎵硒薄膜電池為主，中期將聚焦聚光型及染料敏化電池，長期則將以高分子及銅鋅錫硫(CZTS)薄膜電池為研發(fā)方向。
效率/成本表現(xiàn)亮眼 HCPV發(fā)展掀熱潮
就太陽能電池及模組效率方面而言，目前HCPV獨占鰲頭(電池44%、模組36.2%)；因此，盡管目前太陽能市場仍以矽晶電池占大宗，但國際上皆認(rèn)為HCPV因具有高效率及低平均化電力成本(LCOE)的特性，系未來最具有開發(fā)價值的太陽光電技術(shù)。
現(xiàn)今臺灣在矽晶電池技術(shù)發(fā)展已臻成熟，反觀HCPV技術(shù)尚處發(fā)展階段，且投入企業(yè)屬中小型，尚待政府扶持，以建立具國際競爭力的自主產(chǎn)業(yè)(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及銅鋅錫硫薄膜電池，則還須一段時間發(fā)展，尚未達(dá)到量產(chǎn)階段。
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