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(diǎn)。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(jià)值與發(fā)展?jié)摿?，已吸引美國、歐洲、日本及臺(tái)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(yùn)用于航太工業(yè)已有很長時(shí)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(jī)會(huì)突破50%。

過去III-V族太陽能電池因價(jià)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(fèi)性用途，隨著人類對(duì)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(tái)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(gè)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(gè)別子電池電壓的串聯(lián)，電流則局限于三個(gè)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(xiàng)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(shí)，容易對(duì)人造成危險(xiǎn)；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(jì)上因具有二個(gè)反射鏡面，除增加光線損耗，系統(tǒng)組裝對(duì)位也較困難。

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(tái)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(shí)間，且展現(xiàn)不錯(cuò)的成效，包括與美國UL簽訂2012?2018年研究計(jì)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(tuán)隊(duì)去年制作出效率20.3%的量子點(diǎn)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(yàn)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(qiáng)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(diǎn)

未來HCPV技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)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(jì)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(jiǎng)，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(jì)劃的一部分，旨在對(duì)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(bǔ)助。

效率亦是HCPV的發(fā)展重點(diǎn)，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(jì)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(duì)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(shí)可藉由磊晶基板的重復(fù)使用，以及運(yùn)用較廉價(jià)的矽基板取代鍺基板，縮減電池成本。由于此種HCPV研發(fā)計(jì)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(tái)積電、日本東洋鋼鈑等廠商洽談合作。另外，臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)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(dú)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(jià)值的太陽光電技術(shù)。

現(xiàn)今臺(tái)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(shí)間發(fā)展，尚未達(dá)到量產(chǎn)階段。

(本文作者任職于核研所)