N型電池 太陽能次世代新星

目前全球多數矽晶太陽能電池都採用傳統P型標準製程,但P型電池在轉換效率達到22%後,即面臨資本及技術投入邊際效益率遞減效應,轉換效率難再有效增加。因此太陽能廠開始將目光放在次世代的N型太陽能電池的商業化上,其中又以異質結(Heterojunction with Intrinsic,HJT)電池,以及指叉狀背接觸(Interdigitated Back Contact,IBC)電池兩種技術最具有潛力,本文將探討此兩種N型太陽能電池發展狀況,提供相關業者參考。

太陽能發電成本的下降,來自兩大主要因素。一為製造成本的下降,二為太陽能電池與模組本身轉換效率的提升。在商業競爭下,太陽能電池轉換效率逐年往高效率發展,從早期平均約15%左右,以每年0.5%左右的速度逐年增加。目前全球絕大多數的矽晶電池皆採用P型,但在效率達到22%後,效率提升的空間已有限,面臨資本及技術投入邊際效益率遞減問題。

效率具優勢的N型電池

雖然P型電池發展遭遇瓶頸,全球太陽能廠仍面臨需求端仍不斷追求效率提升的壓力,產業界將目光放在次世代的N型太陽能量產化上。

主要N型矽晶太陽能電池主要包括,HJT、IBC和N-PERT/N-PERL電池三大類。這三種均帶有N型晶矽電池的特點,例如:少子壽命高、無光衰、弱光效應好,但其中又以HJT及IBC因為提升效率的潛力最大,受到關注度最高。各國廠商無不紛紛加緊研發速度,主要太陽能國家政策也加以政策扶持。但至目前為止,能成功量產並商業化銷售的,只有日本Panasonic以及美國SunPower兩家公司。

其中HJT電池是距離實現大規模量產最近的次世代太陽能電池技術,其優勢不僅在於能量轉換效率高,還在於製程簡單、高溫下發電效率衰減小、可使用薄型化矽晶圓、和低模組封裝損失、可雙面發電等多種優點,成為次世代最被看好的電池技術。而IBC電池,P-N結和電極全部置於電池背面,消除了電池正面柵線的遮光,增加轉換效率,可達到23%以上。但其製程複雜,機台設備投資大,使成本幾乎為傳統電池的兩倍以上,因此如何降低IBC製造成本,是目前各國開發重點。也有實驗室開發出同時結合HJT+IBC兩種結構之電池,並實現了25.6%的全球最高效率,是晶矽太陽電池有機會實現的最高效率。而第三種電池N-PERT/N-PERL結構簡單,最大程度保留和利用現有傳統P型電池設備製程,量產化困難度最低,但轉換效率沒有前面兩種電池高。

而根據國際太陽能技術路線圖ITRPV 2016所做的預測,指出隨著IBC、HJT等電池新結構,N型單晶電池的效率優勢會越來越明顯,市場占有率會逐步增加。並隨著雷射、離子注入等技術的量產化,HJT太陽能電池將可望在2026年超過10%市場占有率,IBC背部接觸式達12%。而傳統的P型電池市占率將逐年降低。

商業化的挑戰

雖然HJT太陽能電池具有許多優勢,但在商業化量產上,仍面臨挑戰需要克服:

◆新增設備機台與製程要求嚴格:與傳統P型電池製程不同,需增加薄膜沉積機台。要製作非晶矽與晶體矽沉積,對製程環境要求嚴格。除此之外,磷擴散製程需要達到適合潔淨度要求、並有效的鈍化。

◆低溫模組封裝技術:由於HJT電池的低溫製程特性,不能採取傳統矽晶電池的高溫封裝法,需要開發適宜的低溫封裝技術。

◆高品質的矽晶圓材料:高品質的矽晶圓材料需求,將使購料成本上升。

至於IBC太陽能電池最主要的挑戰,來自於量產化成本的下降:

◆背面指狀交叉狀製程與離子注入技術的量產化:IBC電池的核心技術是如何在電池背面製造出良好的指狀交叉狀的P區和N區。傳統作法是利用液態硼擴散和微影製程,但需要高溫製程且均勻性較差,需要多道複雜製程。半導體產業中常用的離子注入技術,雖均勻性較佳、結深精確可控但成本高昂,如何達到量產化,是目前最具挑戰的關鍵議題。

◆雷射加工困難度:利用雷射的高能使局部昇華在電池背面開孔,但製程帶來的矽片損傷影響接觸電極。因需精準定位增加加工時間,降低生產效率,量產化仍是瓶頸。

最初市場僅有SunPower與Panasonic兩家廠商投入次世代N型太陽能電池量產上,但隨著HJT電池專利到期,與各國投入研發降低IBC電池生產成本下,近年來國際大廠如Tesla(SolarCity)、韓國LG,中國大陸英利等公司,也紛紛投入N型電池開發。

台灣廠商方面,也有公司開始投入。其中以新日光開發HJT電池最為積極,目前已有試量產成果,預計在2017年下半年將有50MW可進入產階段。其他公司如元晶也宣布俄羅斯機台廠IZOVAC,共同研發HJT太陽能電池技術,但仍在研發階段。

N型電池效率與發展前景值得期待,但量產化及成本下降是目前最需要解決之議題。如果導入成本過於昂貴,最終發電成本仍無法與傳統型太陽能電池抗衡,而無法快速滲透市場。在目前P型太陽能電池一片紅海競爭之下,台灣廠商在製程調整、良率開發、參數優化、量產化經驗,皆具有相當的競爭優勢,如果能在次世代N型太陽能電池上站穩腳步,將可有效建立技術進入門檻。(本文作者為資策會MIC產業分析師)

資策會MIC產業分析師吳駿驊

相關文章

分享