N型太陽能電池的優勢和商業化面臨的挑戰

2021-01-21 太陽能發電網

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（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，提供相關業者參考。


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。



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，市場佔有率會逐步增加。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%市場佔有率，IBC背部接觸式達12%。而傳統的P型電池市佔率將逐年降低。



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：


◆新增設備機臺與製程要求嚴格：與傳統P型電池製程不同，需增加薄膜沉積機臺。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升華在電池背面開孔，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。


臺灣廠商方面，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，臺灣廠商在製程調整、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）


來源：中時電子報

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