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N型太陽能電池的優勢和商業化面對的挑戰

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年12月02日  

目前全球多數硅晶太陽能電池都采用傳統P型標準制程,但P型電池在轉換效率達到22%后,即面對資本及技術投入邊際效益率遞減效應,轉換效率難再有效新增。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(HeterojunctionwithIntrinsic,HJT)電池,以及指叉狀背接觸(InterdigitatedBackContact,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,供應相關業者參考。


目前能量產N型太陽能電池的廠商,僅有SunPower與Panasonic兩家。圖為SunPower的太陽能板。圖/路透


太陽能發電成本的下降,來自兩大重要因素。一為制造成本的下降,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%左右的速度逐年新增。目前全球絕大多數的硅晶電池皆采用P型,但在效率達到22%后,效率提升的空間已有限,面對資本及技術投入邊際效益率遞減問題。


效率有優勢的N型電池


雖然P型電池發展遭遇瓶頸,全球太陽能廠仍面對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。


重要N型硅晶太陽能電池重要包括,HJT、IBC和N-PERT/N-PERL電池三大類。這三種均帶有N型晶硅電池的特點,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,重要太陽能國家政策也加以政策扶持。但至目前為止,能成功量產并商業化銷售的,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,其優勢不僅在于能量轉換效率高,還在于制程簡單、高溫下發電效率衰減小、可使用薄型化硅晶圓、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結和電極全部置于電池背面,消除了電池正面柵線的遮光,新增轉換效率,可達到23%以上。但其制程復雜,機臺設備投資大,使成本幾乎為傳統電池的兩倍以上,因此如何降低IBC制造成本,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,并實現了25.6%的全球最高效率,是晶硅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型電池設備制程,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ITRPV2016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,市場占有率會逐步新增。并隨著雷射、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,仍面對挑戰要克服:


新增設備機臺與制程要求嚴格:與傳統P型電池制程不同,需新增薄膜沉積機臺。要制作非晶硅與晶體硅沉積,對制程環境要求嚴格。除此之外,磷擴散制程要達到適合潔凈度要求、并有效的鈍化。


低溫模組封裝技術:由于HJT電池的低溫制程特性,不能采取傳統硅晶電池的高溫封裝法,要開發適宜的低溫封裝技術。


高品質的硅晶圓材料:高品質的硅晶圓材料需求,將使購料成本上升。


至于IBC太陽能電池最重要的挑戰,來自于量產化成本的下降:


背面指狀交叉狀制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制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制程,但要高溫制程且均勻性較差,要多道復雜制程。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升華在電池背面開孔,但制程帶來的硅片損傷影響接觸電極。因需精準定位新新增工時間,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,我國大陸英利等公司,也紛紛投入N型電池開發。


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臺廠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要解決之議題。假如導入成本過于昂貴,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,廠商在制程調整、良率開發、參數優化、量產化相關相關經驗,皆具有相當的競爭優勢,假如能在次世代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)



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