索比光伏网讯: 高聚光型太阳能(HCPV)已成为全球太阳能产业目光新焦点。HCPV拥有高转换效率及低平均化电力成本(LCOE)等优势，极具开发价值与发展潜力，已吸引美国、欧洲、日本及台湾等地的太阳能业者和研究单位全力投入研发，成为太阳能产业的明日之星。
太阳能电池可大致分为三代，第一代为矽晶太阳能电池，可区分为单晶矽与多晶矽两种，商用历史最悠久，目前矽晶太阳能电池也是市场主流，约占86%；第二代产品则为薄膜太阳能电池，主要构成材料分别为非晶矽(Amorphous Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)等。第三代即为三五族(III-V)电池，如砷化镓(GaAs)太阳能电池因具有良好的耐热、耐辐射等特性，被运用于航太工业已有很长时间。
目前单晶矽太阳能电池转换效率约20%，未来可望达到25%；多晶矽太阳能电池则约16%，下一代产品将再升至21%。至于薄膜太阳能电池方面，非晶矽电池的转换效率平均仅约7~12.5%，碲化镉电池转换效率最高约17%，铜铟镓硒电池则约20%。值得注意的是，三接面III-V族太阳能电池最佳转换效率已达到44%，未来更有机会突破50%。
过去III-V族太阳能电池因价格过于高昂，故未被使用于一般地面型太阳能系统或家庭消费性用途，随着人类对半导体材料的掌握度更高，并搭配聚光光学元件，如今三接面砷化镓太阳能电池的转换效率已可达到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太阳能发电系统(HCPV)。
HCPV首重聚光/追踪系统开发
HCPV主要元件包括聚光型太阳能电池(即砷化镓半导体晶片)、聚光型太阳能电池模组(包括光接收电池基板及透镜)及太阳光追踪器。目前台湾核能研究所(简称核研所)开发的三接面太阳能电池由锗(Ge)、砷化铟镓(InGaAs)及磷化铟镓(InGaP)三个不同材料的子电池组成，分别吸收不同波段的光谱。各子电池间藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)连接，所以三接面太阳能电池的电压为个别子电池电压的串联，电流则局限于三个子电池的最小电流。
聚光型太阳能发电技术采用折射或反射式聚光方法，搭配太阳光追踪器，将直射太阳光汇集入射于小面积高效率太阳能电池表面，使光能转换为电能，达到发电目的。由于此种发电方法可大量减少电池使用量，因此具有降低系统成本的效益，被全球视为第三代太阳能发电重要发展项目之一。
聚光型太阳能电池模组主要有三种聚光方式(图1)，可分为折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太阳能发电系统以澳洲的Solar System为代表，相关系统在使用上有反射镜不易清洁的问题，且当系统故障或偏轴时，容易对人造成危险；而二次反射式聚光型太阳能发电系统则以美国SolFocus为代表，设计上因具有二个反射镜面，除增加光线损耗，系统组装对位也较困难。
图1 聚光型太阳电池模组三种聚光方式
折射式聚光型太阳能电池模组采用菲涅尔透镜，将太阳光折射汇入模组内之太阳能电池表面，聚焦的太阳光不会外泄造成人员损伤，其一次折射方式，相较于二次反射式聚光，光学损耗也较少，系统对位较容易。此外，相较于一次反射式(曲面式反射镜)聚光型太阳能电池模组，折射式聚光型太阳能电池模组的聚光透镜呈平面型式，较易清洁保养。
太阳光追踪器结构包含经纬度型结构(Polar Tracking Type)及方位仰角型结构(Azimuth/Elevation Type)两种型态。
前者的优点是结构单纯，制作成本低，在夏至正午时分，太阳每分钟在西向移动角度变化小，缺点则是追踪角度范围较小(最大约60度)。后者有利于追踪角度范围较大(仰角80度以上)的应用，缺点是结构较复杂，制作成本高，太阳每分钟西向移动角度在夏至正午时分变化大。
对聚光型太阳能发电系统而言，因要求高追踪精度，须使用方位仰角型太阳光追踪器，方可吸收在高斜射角度之太阳光，不致影响系统发电效能。国际上的主流商品均是方位仰角型太阳光追踪器。
太阳追踪控制策略可分为开回路及闭回路两类，开回路直接使用太阳位置轨迹公式计算，由追踪控制器将太阳光追踪器转至定位；闭回路则是追踪控制器接收太阳位置感测器讯号以判断太阳位置，而将太阳光追踪器转至定位，由于太阳位置感测器可将讯号回授控制，故称闭回路控制。两种追踪控制策略各有其优点，目前业界大多采用混合式控制策略。
全球PV大厂力挺 HCPV供应链加速成形
据2012年聚光型太阳能发电技术与市场预测报告显示，尽管全球经济不景气，聚光型太阳能发电市场安装量依然急速成长，在2012年安装量已达505MW，至2020年将上看3.9GW。从太阳能电池应用趋势来看，今后聚光型太阳能发电和薄膜电池的市占率将逐渐增加，追上晶矽太阳能电池的市占率(图2)。
图2 2009∼2020年HCPV市场预测，上图为HCPV成长率及安装量；下图则为与其他方案的比较。
至于高聚光型太阳能发电成本，据美国SolFocus指出，当每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2‧day)时，双轴式追踪太阳能系统的平均化电力成本(LCOE)比其他系统优异(图3)；GTM(Greentech Media)Research也认为，2020年HCPV的LCOE约为0.08美元/kWh。
图3 CPV的LCOE成本变化趋势
看好HCPV市场潜力，不少国际知名公司正全力投入发展，在III-V族太阳能电池方面有德国AZUR和美国Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模组则有法国Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美国Amonix、Semprius；太阳光追踪器部分亦有美国Amonix、SolFocus；最后在系统组装及供应方面，则有美国Amonix、Emcore和SolFocus。
台湾方面以核研所为主，该所与国际、国内业者在HCPV方面的合作已有一段时间，且展现不错的成效，包括与美国UL签订2012?2018年研究计划，并共同于高雄路竹建置HCPV测试场，执行CPV与PV模组发电系统长期户外老化测试技术服务案。
此外，日本东京大学研究团队去年制作出效率20.3%的量子点单接面太阳能电池后，亦选择与核研所合作，进行聚光模组特性验证。
至于国内合作方面，核研所亦全力协助国内厂商拓展海外市场，与亿芳能源、绿源科技和禾晶能源，分别就HCPV模组、系统及太阳光追踪器进行技术合作，争取各国的再生能源系统开发案。例如亿芳能源已完成阿布达比绿能城(Masdar City)80kW HCPV系统建置，目前正积极争取下一期40MW以上的建案。绿源科技、禾晶能源则各自强攻HCPV太阳光追踪装置，以及CPV系统，已打入中国大陆、泰国和印度等地的太阳能系统建案供应链。
成本和效率为HCPV未来突破重点
未来HCPV技术发展重点将是降低成本，以提高市场占有率及竞争力。在国际方面，前美国能源部(DOE)部长Steven Chu提出SunShot计划，期望在2020年前，将太阳能发电系统成本大幅降低，藉此提升太阳能做为主要能源来源的竞争力。
此外，美国能源部亦设立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)奖，吸引太阳能电池业者研发高效率III-V族聚光型太阳能电池的产制技术，以降低聚光型太阳能发电系统的成本。SUNPATH属于美国能源部SunShot计划的一部分，旨在对具有成本竞争力和高性能的太阳能电池技术持续进行投资，提高美国太阳能产业的制造能力与市场竞争力，目前Solar Junction已获得补助。
效率亦是HCPV的发展重点，核研所近期已提出重大技术突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模组效率已分别达到32.5%及31.7%，未来将更精进聚光模组效能，以降低系统发电的单位成本。该所未来亦计划开发III-V族多接面太阳能电池技术、低碳足迹聚光模组等技术，以克服HCPV各种开发难题。
提升太阳能电池的散热效能与降低太阳能电池成本，常为业界在开拓太阳光发电应用亟欲解决的两大课题，对此，业界已研拟采用磊晶剥离方法制作III-V族太阳能电池，以及在矽基板成长III-V族化合物半导体材料的磊晶技术，进一步提升太阳能电池元件的导热能力，提高太阳能电池在高聚光环境下的工作效率与稳定性。
同时可藉由磊晶基板的重复使用，以及运用较廉价的矽基板取代锗基板，缩减电池成本。由于此种HCPV研发计划需业界与学界紧密配合，因此核研所正积极与晶元光电、台积电、日本东洋钢钣等厂商洽谈合作。另外，台湾经济部能源研发策略规画小组也订定太阳光电技术短中长期发展目标，短期将以矽晶及铜铟镓硒薄膜电池为主，中期将聚焦聚光型及染料敏化电池，长期则将以高分子及铜锌锡硫(CZTS)薄膜电池为研发方向。
效率/成本表现亮眼 HCPV发展掀热潮
就太阳能电池及模组效率方面而言，目前HCPV独占鳌头(电池44%、模组36.2%)；因此，尽管目前太阳能市场仍以矽晶电池占大宗，但国际上皆认为HCPV因具有高效率及低平均化电力成本(LCOE)的特性，系未来最具有开发价值的太阳光电技术。
现今台湾在矽晶电池技术发展已臻成熟，反观HCPV技术尚处发展阶段，且投入企业属中小型，尚待政府扶持，以建立具国际竞争力的自主产业(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及铜锌锡硫薄膜电池，则还须一段时间发展，尚未达到量产阶段。
太阳能电池可大致分为三代，第一代为矽晶太阳能电池，可区分为单晶矽与多晶矽两种，商用历史最悠久，目前矽晶太阳能电池也是市场主流，约占86%；第二代产品则为薄膜太阳能电池，主要构成材料分别为非晶矽(Amorphous Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)等。第三代即为三五族(III-V)电池，如砷化镓(GaAs)太阳能电池因具有良好的耐热、耐辐射等特性，被运用于航太工业已有很长时间。
目前单晶矽太阳能电池转换效率约20%，未来可望达到25%；多晶矽太阳能电池则约16%，下一代产品将再升至21%。至于薄膜太阳能电池方面，非晶矽电池的转换效率平均仅约7~12.5%，碲化镉电池转换效率最高约17%，铜铟镓硒电池则约20%。值得注意的是，三接面III-V族太阳能电池最佳转换效率已达到44%，未来更有机会突破50%。
过去III-V族太阳能电池因价格过于高昂，故未被使用于一般地面型太阳能系统或家庭消费性用途，随着人类对半导体材料的掌握度更高，并搭配聚光光学元件，如今三接面砷化镓太阳能电池的转换效率已可达到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太阳能发电系统(HCPV)。
HCPV首重聚光/追踪系统开发
HCPV主要元件包括聚光型太阳能电池(即砷化镓半导体晶片)、聚光型太阳能电池模组(包括光接收电池基板及透镜)及太阳光追踪器。目前台湾核能研究所(简称核研所)开发的三接面太阳能电池由锗(Ge)、砷化铟镓(InGaAs)及磷化铟镓(InGaP)三个不同材料的子电池组成，分别吸收不同波段的光谱。各子电池间藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)连接，所以三接面太阳能电池的电压为个别子电池电压的串联，电流则局限于三个子电池的最小电流。
聚光型太阳能发电技术采用折射或反射式聚光方法，搭配太阳光追踪器，将直射太阳光汇集入射于小面积高效率太阳能电池表面，使光能转换为电能，达到发电目的。由于此种发电方法可大量减少电池使用量，因此具有降低系统成本的效益，被全球视为第三代太阳能发电重要发展项目之一。
聚光型太阳能电池模组主要有三种聚光方式(图1)，可分为折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太阳能发电系统以澳洲的Solar System为代表，相关系统在使用上有反射镜不易清洁的问题，且当系统故障或偏轴时，容易对人造成危险；而二次反射式聚光型太阳能发电系统则以美国SolFocus为代表，设计上因具有二个反射镜面，除增加光线损耗，系统组装对位也较困难。
图1 聚光型太阳电池模组三种聚光方式
折射式聚光型太阳能电池模组采用菲涅尔透镜，将太阳光折射汇入模组内之太阳能电池表面，聚焦的太阳光不会外泄造成人员损伤，其一次折射方式，相较于二次反射式聚光，光学损耗也较少，系统对位较容易。此外，相较于一次反射式(曲面式反射镜)聚光型太阳能电池模组，折射式聚光型太阳能电池模组的聚光透镜呈平面型式，较易清洁保养。
太阳光追踪器结构包含经纬度型结构(Polar Tracking Type)及方位仰角型结构(Azimuth/Elevation Type)两种型态。
前者的优点是结构单纯，制作成本低，在夏至正午时分，太阳每分钟在西向移动角度变化小，缺点则是追踪角度范围较小(最大约60度)。后者有利于追踪角度范围较大(仰角80度以上)的应用，缺点是结构较复杂，制作成本高，太阳每分钟西向移动角度在夏至正午时分变化大。
对聚光型太阳能发电系统而言，因要求高追踪精度，须使用方位仰角型太阳光追踪器，方可吸收在高斜射角度之太阳光，不致影响系统发电效能。国际上的主流商品均是方位仰角型太阳光追踪器。
太阳追踪控制策略可分为开回路及闭回路两类，开回路直接使用太阳位置轨迹公式计算，由追踪控制器将太阳光追踪器转至定位；闭回路则是追踪控制器接收太阳位置感测器讯号以判断太阳位置，而将太阳光追踪器转至定位，由于太阳位置感测器可将讯号回授控制，故称闭回路控制。两种追踪控制策略各有其优点，目前业界大多采用混合式控制策略。
全球PV大厂力挺 HCPV供应链加速成形
据2012年聚光型太阳能发电技术与市场预测报告显示，尽管全球经济不景气，聚光型太阳能发电市场安装量依然急速成长，在2012年安装量已达505MW，至2020年将上看3.9GW。从太阳能电池应用趋势来看，今后聚光型太阳能发电和薄膜电池的市占率将逐渐增加，追上晶矽太阳能电池的市占率(图2)。
图2 2009∼2020年HCPV市场预测，上图为HCPV成长率及安装量；下图则为与其他方案的比较。
至于高聚光型太阳能发电成本，据美国SolFocus指出，当每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2‧day)时，双轴式追踪太阳能系统的平均化电力成本(LCOE)比其他系统优异(图3)；GTM(Greentech Media)Research也认为，2020年HCPV的LCOE约为0.08美元/kWh。
图3 CPV的LCOE成本变化趋势
看好HCPV市场潜力，不少国际知名公司正全力投入发展，在III-V族太阳能电池方面有德国AZUR和美国Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模组则有法国Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美国Amonix、Semprius；太阳光追踪器部分亦有美国Amonix、SolFocus；最后在系统组装及供应方面，则有美国Amonix、Emcore和SolFocus。
台湾方面以核研所为主，该所与国际、国内业者在HCPV方面的合作已有一段时间，且展现不错的成效，包括与美国UL签订2012?2018年研究计划，并共同于高雄路竹建置HCPV测试场，执行CPV与PV模组发电系统长期户外老化测试技术服务案。
此外，日本东京大学研究团队去年制作出效率20.3%的量子点单接面太阳能电池后，亦选择与核研所合作，进行聚光模组特性验证。
至于国内合作方面，核研所亦全力协助国内厂商拓展海外市场，与亿芳能源、绿源科技和禾晶能源，分别就HCPV模组、系统及太阳光追踪器进行技术合作，争取各国的再生能源系统开发案。例如亿芳能源已完成阿布达比绿能城(Masdar City)80kW HCPV系统建置，目前正积极争取下一期40MW以上的建案。绿源科技、禾晶能源则各自强攻HCPV太阳光追踪装置，以及CPV系统，已打入中国大陆、泰国和印度等地的太阳能系统建案供应链。
成本和效率为HCPV未来突破重点
未来HCPV技术发展重点将是降低成本，以提高市场占有率及竞争力。在国际方面，前美国能源部(DOE)部长Steven Chu提出SunShot计划，期望在2020年前，将太阳能发电系统成本大幅降低，藉此提升太阳能做为主要能源来源的竞争力。
此外，美国能源部亦设立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)奖，吸引太阳能电池业者研发高效率III-V族聚光型太阳能电池的产制技术，以降低聚光型太阳能发电系统的成本。SUNPATH属于美国能源部SunShot计划的一部分，旨在对具有成本竞争力和高性能的太阳能电池技术持续进行投资，提高美国太阳能产业的制造能力与市场竞争力，目前Solar Junction已获得补助。
效率亦是HCPV的发展重点，核研所近期已提出重大技术突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模组效率已分别达到32.5%及31.7%，未来将更精进聚光模组效能，以降低系统发电的单位成本。该所未来亦计划开发III-V族多接面太阳能电池技术、低碳足迹聚光模组等技术，以克服HCPV各种开发难题。
提升太阳能电池的散热效能与降低太阳能电池成本，常为业界在开拓太阳光发电应用亟欲解决的两大课题，对此，业界已研拟采用磊晶剥离方法制作III-V族太阳能电池，以及在矽基板成长III-V族化合物半导体材料的磊晶技术，进一步提升太阳能电池元件的导热能力，提高太阳能电池在高聚光环境下的工作效率与稳定性。
同时可藉由磊晶基板的重复使用，以及运用较廉价的矽基板取代锗基板，缩减电池成本。由于此种HCPV研发计划需业界与学界紧密配合，因此核研所正积极与晶元光电、台积电、日本东洋钢钣等厂商洽谈合作。另外，台湾经济部能源研发策略规画小组也订定太阳光电技术短中长期发展目标，短期将以矽晶及铜铟镓硒薄膜电池为主，中期将聚焦聚光型及染料敏化电池，长期则将以高分子及铜锌锡硫(CZTS)薄膜电池为研发方向。
效率/成本表现亮眼 HCPV发展掀热潮
就太阳能电池及模组效率方面而言，目前HCPV独占鳌头(电池44%、模组36.2%)；因此，尽管目前太阳能市场仍以矽晶电池占大宗，但国际上皆认为HCPV因具有高效率及低平均化电力成本(LCOE)的特性，系未来最具有开发价值的太阳光电技术。
现今台湾在矽晶电池技术发展已臻成熟，反观HCPV技术尚处发展阶段，且投入企业属中小型，尚待政府扶持，以建立具国际竞争力的自主产业(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及铜锌锡硫薄膜电池，则还须一段时间发展，尚未达到量产阶段。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/201307/04/232368.html
