資料來源  http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6740

 
太陽光電材料產業現況與發展機會2008/3/12
 

近年來因石油價格高漲及京都議定書對溫室氣體的管制行動,世界各國無不投入新能源及替代能源開發,延伸出龐大的綠色商機。在許多新能源中太陽光電能是最具發展潛力的。近幾年來許多國家陸續推行政府補助獎勵辦法,配合電力的回送與購售電措施,使得太陽電池市場成長快速,1999 至2000 年間即成長高達42%。估計從現在到2045年,在國際新能源及再生能源發電產業當中,太陽能發電會是未來能源之大宗。目前日本、美國及德國積極開拓太陽光電產品市場,其總產量超過全球市場的80%以上,在全球主要太陽電池的製造與應用上,有舉足輕重的影響力。2005年全球太陽電池市場規模即高達112億美元,預估未來每年成長率將高達30%以上。

因應大環境之變化及產業需求,近年來政府積極推動太陽光電能源相關產業技術之發展,使我國太陽光電上中下游產值在2006年就比前一年成長約3倍,達約新台幣210億元,成長速度相當驚人。預估2007年產值高於400億元,2008年產值可達900億元。相關業者如雨後春筍般相繼投入,上游業者如中美晶、合晶、綠能科技等生產太陽能電池用之矽晶圓,中游業者如茂迪、益通、昱晶、旺能、新日光等生產矽晶圓太陽能電池及大豐、威士通、聯相、鑫笙、旭明等生產薄膜太陽能電池,下游業者如奈米龍、頂晶、日光能、知光能、永炬等製造太陽能電池模組及茂迪、台達電、伸浦、飛瑞、華城、太陽動力、東城、光華、冠宇宙等製造太陽能發電系統及其相關組件等,總計相關廠商已逾70餘家,並逐年在增加中,最近更有山陽、旭晶、元晶、台塑、台灣中油、福聚等剛或宣布要投入太陽能電池用之最上游多晶矽原材料生產,國內太陽光電產業鏈已然成形。

然而,從2006年以來,因太陽能矽晶圓供需失衡,產業界掀起搶料大戰。太陽能矽晶圓現貨價格飆漲,以最廣泛使用的 6吋矽晶圓來說,每片平均價格比2年前調漲了約一倍。太陽能電池的材料成本佔太陽能電池製造成本約70%,主要原料為矽晶圓及銀鋁漿,而其中,矽晶圓佔原料成本8成,使得太陽能電池廠之獲利急速下降。上游原材料掌握在日、德、美等少數國際大廠手中,限制了國內產業之成長利基。圖一為以矽晶體為基板之太陽光電產業鏈,由其中可知各次產業中,材料占了非常重之比重。我國若欲建立完整的太陽光電產業,就必須同步推動上游材料自製研發能力,包括太陽電池產業的供應鏈中的多晶矽材(Poly-silicon Material)、矽晶片(Wafer)、太陽電池(Solar Cell)、太陽電池模組(PV Module)與太陽光電系統(PV System)等五大項次產業之關鍵材料。

太陽光電產業相關材料
目前為止,已開發或正在開發之太陽光電產業相關的材料種類繁多。未來還有新的材料會被持續開發出來。光以Cell及所用之基板不同,就可分成以下數種材料(圖一):矽晶圓為基板之單晶或多晶矽電池材料、玻璃或高分子板為基板之無結晶形矽(Amorphous (a-Si))、多層a-Si/結晶矽、CIS/CIGS、CdTe等II-VI族材料及染料敏化之電解質材料、以III-V族晶圓為基板之GaInP2/ GaAs、InGaP/InGaAs/Ge等III-V族材料等。太陽電池模組之結構及使用之材料除了主動之發電電池以外,還包括重要之封裝材料,如EVA、Tedlar膜、玻璃、鋁框及密封材料等。由於太陽能發電系統要求長時間之使用壽命,因此對於太陽電池模組使用之封裝材料特性要求相當高。


太陽光電用多晶矽原材料
多晶矽價格由2000年時每公斤9美元,飆漲到2007年每公斤約400美元。台灣對多晶矽原材料之需求,2006年約4620噸,已呈嚴重不足,估計到2008年,需求將高達8500噸。目前為止,台灣各太陽能電池廠規劃之產能在2007年總共約 960 MWp,然而由於多晶矽原材料之嚴重缺料,致使太陽能矽晶圓缺料情況嚴重,產能利用率將達不到5成。

傳統半導體或太陽能電池,多半採用西門子法(Siemens Process)製成半導體級高純度矽為原料,但其成本居高不下,且由於環保問題的考量設廠不易,如欲降低成本,另類製造純度較低,既(Al, Fe, B, P, Ti, V)雜質含量在0.1~10 ppm 之間適合太陽能電池用的方法未來將具有競爭力。有關多晶太陽能電池所需高純度矽之各種不同的生產方法,在此分別作簡要的說明。

1.高純度矽材料技術現況
目前製造太陽能電池矽原料的製造方法,主要是將量大價廉的工業級冶金矽(97~99%)純化成99.999%或更高純度的矽,工業級的冶金級矽(MG-Si)主要透過電弧爐將石英砂用碳還原成冶金級的矽,除供給半導體等級矽及太陽能及矽純化用的trichlorosilane的生產原料外,主要作為煉鋼之用。目前太陽能級矽原料的製造方法,有氣態矽化合物分餾還原法與冶金矽的精煉法兩大類,簡述如下。
(1). 氣態矽化合物分餾還原法
氣態矽化合物分餾還原法是把冶金級矽與H2 、Cl2或HCl作用轉化成一中間產物,氣態的三氯氫化矽、四氯化矽或單矽烷四氫化矽,利用分餾、氣-液分離等製程將氣態的三氯氫化矽或四氫化矽純化、再用還原劑氫等還原成純度高的矽,此類方法目前最常見的有:(a).西門子法(Trichlorsilane SiHCl3)、(b).單矽烷 Si4(即Silane法)、(c).流體化床法(Fluidized Bed Process)、(d).二氯二氫化矽(SiH2Cl2)法、(e). Alkoxysilane 製程法與(f).氟化物法等。
(2). 冶金矽的精煉法
冶金矽的精煉法是用濕法精煉後再用火法精煉進一步除去矽的內部雜質。濕法精煉是透過酸處理、精煉去除矽的雜質,尤其對於矽內金屬雜質Fe,Al,Ca等較為有效,對P,B和C去除則較為困難,此製程的優勢為成本低和設備簡單。用HCl、H2SO4等不同酸的結合在不同的條件下達到精煉效果。火法精煉又可分為:(a).氣體吹煉矽的製程、(b).真空精煉法、(c).造渣法、(d).熔液淬取法、(e).碳熱還原法、(f).電漿精煉法等。

目前多晶矽主流製程西門子法所生產之多晶矽純度過高(11N),對於太陽能廠商是成本浪費,因此各種低成本的製程也正在發展中。其中已經有商品化生產的製程為流體化床法及冶金純化法。流體化床法宣稱可使能耗及成本降到三分之一以下,且已有大廠如Wacker及MEMC投入此法的生產;冶金法目前純度約為5~7N,品質尚不穩定,但撇開純度的議題,其他條件都比傳統的西門子法及流體化床法優秀,若能在純度上有所改進,此法將成為極具潛力的新興製程。

2.冶金法矽純化技術現況
因為不同的冶金製程其去除雜質的能力不同,必須結合不同製程的組合方可達到所需的純度。如例用濕法精煉(hydro-metallurgical),熔融氣體蒸發,鋁-矽偏析,或方向性凝固等製程將可降低雜質的濃度。目前世界上有多家業者如Solarvalue、日本川崎製鐵的JEF Steel、ARISE、Elkem、Joint Solar Silicon等正開發當中。冶金級的Low-grade Si為低成本之起始材料,其供應量極為豐富。運用Casting技術來育成高品質之多晶矽結晶,利用調變製程參數,再經切片、研磨來對多晶矽結晶進行評價分析,從而對晶粒缺陷、鐵離子不純物分佈有更深入之掌握,最後直接製成高效率之薄型化多晶矽太陽電池。

3.矽氟化物金屬還原法
矽氟化物金屬還原法為利用熱裂解方式產生之高純度四氟化矽與鈉/鉀金屬氣體燃燒反應還原形成多晶矽。矽氟化物金屬還原法製程上,高純度之單晶或近單晶矽錠可經由兩階段之反應器連續操作而得。起始原料為鈉之氟矽化物與金屬,分別儲存在不同之容器之中。容器中間經由蒸氣輸送之裝置,可將兩原料帶入另一反應器內,將鈉之氟矽化物進行熱分解,產生相當純的矽與金屬氟化物。而此金屬氟化物可在熔融之矽熔湯中連續分離開來,同時也可直接將熔融之矽連續的作成矽之鑄錠。此為美國SRI International Corp.,發展之製程,其製造流程如圖二所示。


圖二、矽氟化物金屬還原法製作矽原料

新的太陽能級矽冶金原料的製造技術不斷日新,世界上各國目前均處於小規模生產階段;主要發展的工業矽冶金替代精煉製程計有:(a).最新高速浸出(leaching)及電漿精煉法,主要由臺灣大學連雙喜 教授及工研院材料所發展;(b).荷蘭ECN公司的以高純度碳及矽礦還原成太陽能矽的方法;(c).挪威Elkem公司的碳化矽再轉換成矽,再用等離子精煉;(d).日本JEF公司的等離子精煉法;(e).美國Corning公司之混合純淨矽法,已在巴西投產,據國外專業報導,該公司產量大,但外界不易知道其所採用的方法。

上述方法的共同特點為設備投資較小、污染環保問題較少,但目前均屬於開發階段,生產量均小於 200 Ton/year,預計未來兩年將可能會有較大規模設備投產。以上不同的工業矽精煉制程,均為世界供應多晶矽之各大公司自行研發,即將商業化的新製程,由於現今多晶矽供不應求,各大公司均希望壟斷市場,對其使用方法及使用設備保持高度機密,因此購買其技術及合作均有相當程度的困難。

薄膜太陽電池材料
此處所指薄膜太陽電池材料,是指廣義的範圍,除了矽薄膜(a-Si, Tandem a-Si / Si Crystalline, Thin film Si crystalline)以外,也包括II-VI族(CIS/CIGS、CdTe)、III-V族 (GaInP2/GaAs、InGaP/InGaAs/Ge)、染料與高分子有機物等薄膜太陽能電池材料。

薄膜太陽電池在市場上最近越來越被重視,雖然目前市佔率約只有10%,但由於可以使用大面積之玻璃製作具經濟效益之面板,預估會有高之成長率。薄膜太陽電池材料,除了In以外,沒有所謂缺料的問題。薄膜太陽電池使用之基板除了玻璃以外,還有使用不銹鋼板、高分子軟板及陶瓷基板等,視應用及薄膜電池材料不同而定。薄膜太陽電池之問題,在於如何經由薄膜層結構、各層不同之材料以及各種新式製程等之選擇,以提高發電效率。

目前具最佳能量轉換效率的CIGS太陽電池之元件結構如(圖三),各層材料由下而上分別是鈉玻璃、Mo、CIGS、CdS(or ZnS)、ZnO、MgF2、Ni、Al等。


薄膜太陽電池之材料如玻璃基板、可撓式基板等方面由本土廠商供應並無問題。至於CIGS 薄膜材料則視製程而有不同的考量,以蒸鍍法而言,高純度之成份元素僅 In 之全球存量被關切。若使用硒化製程,金屬預鍍層可以用濺鍍、電化學沉積、墨印等不同方式製作。以濺鍍而言,常分別使用In 靶和Cu-Ga 合金靶;以墨印而言則需先製備奈米級之金屬或其氧化物之粉末並做成漿料,這部分需自行開發。

CIGS 太陽電池在量產方面有一令人擔心的問題,即In 是否會在大量需求時有缺料之虞。目前有研究以Zn 與Sn 來取代In 的想法,但因有二次相的伴隨產生而無法成功。使用能隙相近的CuGaTe2進行研究可做嘗試。另一方面,以減量使用為訴求也是解決方法之一,若能尋求元件結構設計的突破,儘量利用CIGS 光吸收係數極高的特性,將CIGS 之厚度減半甚至四分之一,也是另一種解決方式。這些都可能是未來研發的重點。

染料與高分子有機物等薄膜太陽能電池是未來被看好具有低成本與新市場應用。目前染料太陽能電池(DSSC)之最重要問題在於其對時間及溫度之穩定性。要成功地將之商業化,就必須將封裝/密封、著色、灌電解質及最後密封之動作完全以自動化線來完成。目前也有許多研究使用膠(Gel)電解質或一種 p-type高分子材料來取代液態電解質。

作者:翁谷松、劉乃元 / 經濟部工業局
             彭成鑑、洪健龍 / 中國材料科學學會
出處:工業材料雜誌255期

★詳全文:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6708

圖三、目前具最佳能量轉換效率的CIGS太陽電池元件結構
圖一、以Cell及所用之基板來分類之太陽光電材料
創作者介紹
創作者 fortune500 的頭像
fortune500

讓你的錢排名 fortune 500 , 賺全世界的錢 ~~~

fortune500 發表在 痞客邦 留言(2) 人氣()