薄膜太陽能電池 殺手級應用出籠
   
【經濟日報╱李雯雯】
   
2008.07.13 04:15 am
 

目前太陽光電的主流應用市場在於市電併網型應用,而太陽光電的主流技術為矽晶圓式,矽晶圓式太陽能電池占了所有太陽能電池九成以上的市占率。相較於矽晶圓式太陽能電池,薄膜太陽能電池雖然市占率仍偏低,但具備有以下特點:

1.輕量(weight),重量輕,使用在建築物上時可減輕建築物負擔。

2.可製成可撓式(flexibility),容易與其他產品整合、可在非平面(如球型屋頂、弧形玻璃帷幕)上應用。

3.低成本(cost),製造成本低,對消費者在安裝時更具吸引力,在大規模大面積安裝時更具優勢。

4.長效性(longevity),對溫度耐受度較高、對光照度需求較低,累積發電量較高較不受環境因素影響。

基於上述特點,薄膜太陽能電池在應用範圍上比起矽晶圓式技術更為廣泛,在市電併網型可以切入建材一體型太陽光電產品BIPV(如在非平面屋頂安裝、玻璃帷幕等)及較不需考量使用面積的大型發電廠;同樣在較不需考量使用面積的獨立型發電,亦為有利於薄膜技術發展的市場;另外在特殊應用上,薄膜技術也可結合其他產品開發出更多高附加價值產品或是發展更多新用途,拓展利基市場也拓展整體太陽光電的應用普及。

然而,薄膜太陽能電池因其轉換效率低於矽晶圓式,所需發電面積較大,因此要切入目前主流的居住用併網型小型屋頂發電系統之安裝,則需更致力於效率的提升。

(一) 市電併網型,BIPV為主要應用市場:

建材一體式太陽光電產品(BIPV)可在離網型與併網型使用,然而市電併網型的BIPV是成長最快的區塊,包括住宅用與商用的BIPV。薄膜太陽能電池基於以上輕量、具可撓性可透光性、成本低廉、對環境耐受度較佳累積發電量較高等特點,創造了BIPV更多的新機會與可能性,一般認為,併網型BIPV將是薄膜太陽能電池最大的應用利基市場。目前已有許多薄膜太陽能電池製造商有推出專屬應用於BIPV的產品,由於具多元化應用的潛力與尚無標準化產品的態勢,此塊市場目前並不是「大者恆大」(“winner takes all”)的寡占局面,對各薄膜太陽能電池製造廠商而言仍是個機會很大的市場。

目前主力產品仍是與屋頂結合的產品,但與窗戶、玻璃帷幕結合應用的產品也逐漸開發增加中,隨著技術進步,未來也有可能發展出太陽能壁紙、塗料(PV wallpapers and paints)等更先進的商品。

另外,薄膜太陽能電池亦可製成比矽晶圓技術透視率更高的「可透光(see-through)模組」,可以整合應用在建築的玻璃、窗戶(smart window)上,而不犧牲建築向外看的景觀,目前已有許多廠商能製作可透性(transmission)在10%以上的商品,例如Sharp宣稱已有能力製作可透性10%、效率達9%的可透光a-Si薄膜模組。

(二)市電併網型,併網式大型設施為另一潛力發展方向:

目前併網式大型太陽能發電計畫或設施,仍是以矽晶圓式技術為主,而許多薄膜太陽能技術廠商也尚未有足夠產能來符合此類大型設施的需求。然而,許多併網式大型設施不似屋頂安裝,對安裝面積的考量較小,相對的因鋪設範圍更大對低成本的要求更殷切,此點對於效率偏低所需安裝面積較大但製造成本較低的薄膜技術是具備發展潛力的。

第一個應用薄膜模組在大型設施上的例子,是1992年時在美國加州Davis以9,600個a-Si模組安裝成400kW的太陽能陣列(array),此後便陸續有應用薄膜模組在大型設施上的例子,例如Juwi集團將在德國的Saxony區興建目前世界上最大太陽能發電廠,使用的便是First Solar的CdTe(碲化鎘)薄膜太陽能模組。此電廠名為”Waldpolenz”,預計在2009年年底落成,屆時可輸出40MW的電力,電廠面積廣達400,000㎡,使用550,000個薄膜太陽能模組,投資金額為1.3億歐元,轉換成每kW的發電成本則為3250歐元,大型的規模及使用薄膜模組使得此電廠的發電成本較德國市場平均價便宜了20-40%。

同樣為由Juwi集團在德國興建Rote Jahne太陽能發電廠,則為目前最大的使用薄膜模組的太陽能發電廠,規模為6MW,投資金額為2,100萬歐元,亦使用First Solar的CdTe薄膜太陽能模組,已於2007年3月開始營運。

(三)離網應用型:較不受安裝面積考量亦適合薄膜技術發展

離網應用型太陽光電系統不同於市電併聯型,並沒有與當地電網(Local Utility's Electricity Network)作連結,通常需要蓄電池(Battery)來儲備電力,應用在偏遠地區為主。不若市電併聯型多應用在人口稠密的都會區,對離網應用型的使用者來說,累積發電量、成本比起安裝面積、轉換效率來得更為重要,而對環境耐受度較佳、低製造成本的薄膜技術在此更可發揮優勢。

以離網鄉村居住型太陽能居家系統(Solar Home System,SHS)為例,通常居住在偏遠地區的居民收入普遍不高,對使用者而言,薄膜技術較低的安裝成本優勢使其可以更為容忍其較低效率;其次,會使用離網發電的居民大多居住在較溫暖、中低緯度的氣候,比起較易受緯度照度影響的矽晶圓式太陽能模組,薄膜技術的累積發電量較高。

此外,在偏遠地區運送上甚至多是仰賴動物或人力揹送,較輕量、較抗毀損的、或是可捲撓的薄膜模組在運送上也較為容易。另外,以太陽能發電抽水站(water pumping)為例,可以提供偏遠地區居民乾淨的飲用水,此類抽水站使用的太陽能陣列(array)大多在1kW以下,在此規模下此時薄膜技術的低效率並不會造成太多的使用面積,而且在偏遠地區使用面積並不是考量的優先重點,因此如印度有很多抽水站都是使用成本更低的矽薄膜(a-Si)太陽能模組。

(四)其他特殊應用:薄膜技術具創新產品的潛力

薄膜太陽能電池/模組因其輕量、可撓、多彩等特性,在創造新產品的潛力上優於矽晶圓式太陽能電池/模組,此點對於開創太陽光電新市場至為重要。

最早的例子便是應用矽薄膜(a-Si)太陽能電池在計算機上,之後在消費電子領域陸續有結合應用薄膜太陽能電池的產品出現,例如耳機、收音機、溫度計、手錶、鬧鐘、LED照明、感應燈、電池充電器等。

除了起家的消費電子領域外,薄膜太陽能電池也正積極研發更多的可能性。例如應用在可拋棄式電子產品(Disposable Electronics)如射頻識別(RFIDs)、智慧型包裝(Smart Package)、智慧卡(Smart Cards)等需要非常低廉電力的產品;或是為了功能或美觀的服飾應用(Wearables),並可延伸應用在帳篷、窗簾、百葉窗等,太陽光電可被視為服飾上的充電器、電力的來源,如美國廠商Konarka便與Textronics合作開發布料太陽能電池(Power-Generating Wearable Electronics)。

此外,應用在軍事與防救災用途上,如美國軍方一直都有資助相關廠商(如Konarka)開發應用軍事用途的太陽能產品,而軍方也可被視為一塊獨特的利基市場,軍方對產品需求以功能性取勝,對新產品的接受度高,對價格的要求相對不若商業市場強。

(作者是工研院IEK/ITIS計畫產業分析師 )

【2008/07/13 經濟日報】

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