Chapter 11 太陽能電池科技的未來發展以及其展望

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1 Chapter 11 太陽能電池科技的未來發展以及其展望
11-1 太陽能電池科技的未來發展 11-2 次世代太陽能電池科技 11-3 各國太陽能電池及其系統發展的獎勵 措施

2 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
338 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要是： 太陽能電池科技的未來發展 次世代太陽能電池科技 以及各國太陽發展的獎勵措施

3 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
339 11-1 太陽能電池科技的未來發展 圖11-1 在各種太陽電池方面，其光電轉換效率以及發展年代的示意圖

4 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
338 「地球暖化溫室效應 (Global Green House Effect)」，已對地球的環境以及天候產生很大的影響 它主要地是來自於二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氟氫碳化合物、氟碳化合物、以及六氟化硫等氣體，因過量而無法有效地消化，以致於造成地球的大負荷

5 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
340 2007年，聯合國氣候變化跨政府小組 (IPCC)，發表了一份研究分析報告，在2007~2100之年間，全球的平均氣溫將上升1.1~6.4度之間。假如全球的平均氣溫上升2度的話，則地球上將有15.0~40.0%的物種，將會面臨了滅絕的嚴重性事態；但是，倘若全球的平均氣溫上升是4度的話，則地球上將有30多億面臨了缺水的嚴重性事態；地球暖化溫室效應的示意圖，如圖11-2所示的。

6 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
340 圖11-2 地球暖化溫室效應的示意圖

7 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
340 2005年2月16日，正式地生效世界50多個國家所簽訂的“京都議定書 (Kyoto Protocol)”，以規範各國溫室氣體減量的執行方案，並說明了世界38個主要工業國以及歐盟各國，共同地努力在2012年之前，將二氧化碳以及其它五種溫室效應的氣體，使其排放量降低至1990年總量的5.2% 階段；爾後，再逐年地規劃所需減碳量的指標。

8 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
341 圖11-3 現有石化燃料的儲存量來推測性預估現有能源的使用年限

9 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
341 地球暖化溫室效應 (Global Green House Effect)： 起因於地球所反射的紅外線、水氣、以及二氧化碳等的吸收作用，而引發地球的溫度上升 各種不同形式能源的未來的使用性，如圖11-4所示

10 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
342 圖11-4 預測於2100年之後各種不同形式能源的未來的使用性

11 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
343 溫室效應會發生的最大原因，是甲烷 (CH4)、二氧化碳 (CO2)、氧化亞氮 (N2O)、以及氟類化合物氣體等所造成的。甲烷或烷類氣體的產生，是來自農業、畜牧業、廢棄物掩埋處理場、以及排泄物的分解等；至於，二氧化碳的大量產生，主要是來自於石油、瓦斯、以及碳氫化合物等石化原料的燃燒，以及植物性森林面積的縮小等所發生的；此外，氧化亞氮以及氟類化合物氣體，主要是來自於高科技產業 .

12 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
343 污染物排放因子 (Pollutant Emission Factor, PEF)，是在電力發電系統上，每產生一度電力 (kWh) 所需要同等的碳消耗量克數，此一碳消耗量可換算成所發生的二氧化碳氣體。 圖11-5 各種不同形式能源的污染物排放因子

13 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
344 一般太陽能電池在夜間狀況之下，是無法發電而成為其主要的缺點；然而，解決此一缺點的方法有兩種。 第一種方法是將白天的太陽光能轉成其它的能量形態，並儲存於蓄電池或抽蓄發電廠，以便於在夜間時刻再將儲存的能量釋放出來。 第二種方法是將「衛星太陽能發電廠 (Satellite Solar Power Station, SPSS)」的構想，加以有效地應用。此一構想是在赤道附近的外太空，放置太陽能電池發電系統的人造衛星，由於此一區域能夠不斷地接受太陽光的照射，而運用人造衛星吸收太陽光的能量來進行發電。

14 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
346 圖11-6 家庭用太陽能光電發電系統示意圖

15 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
345 由國際能源總署 (International Energy Agency, IEA) 的報告中，得知1999年，全球太陽能光電發電系統的市場規模是200 MW ( 市場規模成長率10%)，2001年，全球的市場規模是400 MW (16%)；2004年，全球的市場規模是955 MW (40%)，2010年，全球的市場規模將達1,500 MW以上。 國際能源總署 (International Energy Association, IEA) 所建構的太陽城 (Sun City)，乃是在建立一個城市或都會社區，使其能源的運用是以再生能源替代目前所用的石化燃料以及核能，進而有效地抑制地球的暖化溫室效應，以達成人類與地球環境共生共存的社會。

16 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
347 在1990年代初期，所開發的太陽能電池系統，其使用壽命是5~10年；在1990年代中後期，所開發的太陽能電池系統，其使用壽命是10~15年。在2000年代初期，所開發的太陽能電池系統，其使用壽命是15~20年；在2010年之後，所開發的太陽能電池系統，其使用壽命是20~25年。 多晶矽材料的價格及其成本，一直是太陽能電池總成本之中，其成本比例值是最大的，目前，多晶矽材料所販售的價格是每公斤15~20美金，倘若製程高效率化以及經濟化之後，其目標的價格是小於每公斤10美金。

17 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
348 在德國的Wacker Chemie公司，將開發出三氯矽烷還原法，並使用流體化床反應器進行生產，而且規劃設計出每一個反應器的年產量為500 MT。在日本的Tokuyama公司，開發出新的沉積製程技術，使用三氯矽烷為主要的原料。至於，德國的Bayer AG公司，將開發出矽烷還原法，並使用流體化床反應器進行生產，其製程的優點是擷取Union Carbide Chemicals製程方法以及Ethyl Corporation製程方法的特長，而大幅地提升其生產效率。倘若生產規模擴大一倍產能的話，則其製造成本將會降低10.0~20.0% 左右。此外，歐盟組織機構的研究報告指出，在不短缺矽晶圓片原料的情況之下，一個500 MWatt規模的太陽電池及其模組的生產工廠，將可使每峰瓦的電力成本降低至小於一歐元。

18 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
348 「沙漠科技」計畫，來自於「跨地中海更新能源合作 (TREC)」組織的構想，它是將沿著地中海的北非以及中東沙漠的邊緣區域，設置大型的太陽能光電發電系統；亦就是「聚光型太陽熱能發電系統 (CSP)」科技，將成千上萬面大的太陽面板，組裝成數百座太陽能發電系統，用於產生數千億瓦小時的電力度數，並透過海底電纜輸送至歐洲的各歐盟國家。同時地，此一太陽能發電系統也可以用於進行海水淡化處理，以提供沙漠國家所需的淡水量。

19 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
349 倘若在地中海岸從北非到中東，普遍地裝設1,000座此一發電系統，將可生產1,000億瓦的電力。太陽能所激發出來的熱蒸氣，在推動渦輪發電系統之後，又可以將海水煮沸而氣化之，氣化的海水蒸氣將經過冷卻而凝結之，此即是可生活用的淡水。目前，一發電系統所產生的電力，其生產的成本是每千瓦15~20歐元，大約是燃煤式發電系統的一倍之多；然而，科學家們相信不斷地改善以及改進其技術，未來將可以使發電成本降低至每千瓦小於10歐元。

20 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
349 聚光型太陽熱能發電系統，是由成千上萬個太陽面板，裝設於廣大土地的鏡框中所組成的。這些太陽面板的設計是經由細心地規劃，以便於將太陽光能聚焦於一根注滿水的中心鐵柱；當太陽光聚集於此根鐵柱的時候，其內部的溫度將可以達到700~800C，鐵柱內的水將轉變成熱蒸氣，此一熱蒸氣推動渦輪而使其產生發電作用。

21 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
349 太陽能的應用將是最重要的以及成本效率良好的能源。太陽能電池未來研究的方向以及發展的趨勢，分別地是： 太陽光的光能轉換成熱能的光熱效應研究。 太陽光的光能轉換成電能的光伏特效應研究。 黑體輻射光波頻譜轉換效應研究。 多能隙型的結構以及多接面型的結構的光電轉換效應研究。 熱載子效應太陽能電池的研究。 光子衍生多電子電洞對的物理機制研究。

22 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
349 光輔助型的或熱載子輔助型的太陽能電池的物理機制研究。 新材料及新元件結構的研究。 新製程技術及低成本生產技術的研究。 最優化或最佳化光電發電系統及其關鍵性零組件的研究開發。 高效率及高功能控制軟體系統的研究開發。

23 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
350 11-2 次世代太陽能電池科技 100 200 300 400 500 20 40 60 80 $ . 10 / W 熱力學極限 無限接面極限 藍圖發展路徑 新製程技術 目前技術 薄膜技術 第二世代 第三世代 單一接面極限 5 ~ 6 接面極限 50 85 1 00 75 3 2 $/m 單 位 面 積成 本 h SunPower21.5%cell Sharp15%cell Shell14%cell Sanyo19%cell BPSolar14.2%cell 圖11-7 太陽能電池的光電轉換效率、單位面積成本、單位瓦數的電量費用、以及其技術發展藍圖

24 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
351 第一世代太陽能電池 (First Generation Solar Cell) ，是以矽晶圓片 (Wafer-Based) 為主要基材，而所製作的太陽能電池，其材料的製造法是融鑄式的方法，其基本的結構是單層型p-n結合的二極體元件。

25 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
351 第二世代太陽能電池 (Second Generation Solar Cell) ，則是薄膜型 (Thin-Film-Based) 為主要基材，而所製作的太陽能電池，其材料的製造法是薄膜式成形方法。就薄膜型太陽能電池而言，其優點有材料的節省、製造成本的降低、重量的輕穎、以及用途的寬廣等；但是，其能量轉換效率較低於矽晶圓片型太陽能電池。目前，薄膜型太陽能電池的種類，因所用材料的種類及其結晶，可分為非晶矽 (Amorphous Silicon)、多晶矽 (Polycrystalline Silicon)、微晶矽 (Micro-Crystalline)、砷化鎵、碲化鎘 (Cadmium Telluride)、銅銦硒化物 (Copper Indium Selenide)、以及銅銦硫化物 (Copper Indium Sulfide) 等。

26 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
351 第三世代太陽能電池 (Third Generation Solar Cell) ，是大不相同於前兩世代的太陽能電池；而此類型的太陽能電池，有高分子太陽能電池 (Polymer Solar Cells)、光化學太陽能電池 (Photoelectrochemical Solar Cells)、染料光敏化太陽能電池 (Dye-Sensitized Solar Cells)、氮化合物型太陽能電池 (Nitride Solar Cells)、量子點型太陽能電池 (Quantum Dot Solar Cell)、以及奈米結晶矽型太陽能電池 (Nanocrystal Solar Cells) 等。

27 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
351 第四世代太陽能電池 (Fourth Generation Solar Cell) ，是一種採用複合式太陽能電池技術 (Composite Solar Cells)，來製作具有多重光譜吸收的薄膜層，而此些薄膜層是由高分子以及奈米顆粒所組成的。此些薄膜層可以多重地疊積起來，而形成低成本的以及高轉換效率的複合型太陽能電池。它可以各種波長光譜捕獲於各個薄膜層，充份地進行吸收以及光電轉換效率。

28 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
此種類型的太陽能電池又稱之為堆疊式太陽能電池 (Tandem Solar Cells)，各種不同能隙值以及光吸收係數的薄膜層，相互地堆疊而形成的複合層太陽能電池。此外，還有基於每個光子的充份地發揮作功效應，而分別地有熱載體式太陽能電池 (Hot Carrier Solar Cell)、高光譜分布域轉換式太陽能電池 (Spectral Up-Converter Solar Cell)、以及低光譜分布域轉換式太陽能電池 (Spectral Down-Converter Solar Cell)，如圖11-8所示的。

29 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
352 圖11-8 堆疊式太陽能電池、熱載體式太陽能電池、高光譜分布域轉換式太陽能電池、以及低光譜分布域轉換式太陽能電池

30 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
11-3 各國太陽能電池及其系統發展的獎勵措施 第十一章　太陽能電池科技的未來發展以及其展望 　P 353 世界上太陽能電池模組或光伏特電池模組 (PV Module) 主要的生產廠商，有日本的Sharp公司、日本的Kyocera公司、美國的Shell Solar公司、日本的Mitsubishi Electric公司、日本的Sanyo Electric公司、西班牙的Isofoton公司、日本的MSK公司、英國的BP Solar公司、德國的Solon公司、以及中國的尚德公司 (Suntech Power) 等；此些公司的生產的總產量均在32.0百萬瓦特 (MWatt，MW) 以上。

31 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
354 太陽能光電發電系統的應用，有時可以區分為： 獨立型光電發電系統 (Stand-Alone PV System) 回饋型光電發電系統 (Feed-Control PV System) 緊急防災型光電發電系統 (Emergency-Based PV System) 市電併聯型光電發電系統 (Grid-Connected PV System) 至於，緊急防災型的太陽光電系統，即是所謂的獨立 / 併聯混合型的太陽能光電發電系統 如圖11-9所示

32 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
355 圖11-9 太陽能光電發電系統的應用類型

33 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
太陽能發電推行最成功而積極的國家應該是日本。1994年，日本政府執行補助獎勵辦法，鼓勵以及推廣每戶家庭設置3,000瓦特 (Watt) 的「市電併聯型太陽能光電發電系統」。第一年期間，政府將補助49.0% 的經費，往後幾年的補助方式將採取逐年地遞減。1999年，日本太陽能電池的總產量大約是86百萬瓦特 (MWatt)，2000年則是增加至120 MWatt。

34 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
357 何謂能源回收期 (Energy Pay-Back Period or Energy Pay-Back Time, EPT)？為製作太陽能電池元件所耗損的總能源量，需要多久使用時間之後，才能夠相當於太陽能光電發電系統所發總電量的成本效益。倘若能源回收期愈短的話，則太陽能電池元件的製作，所消耗的總能源量就愈少的，因而具有很好的環保特性；故新的製程技術不斷地發展中。 日本鐘淵化學工業 ( 株 ) 公司 (Kaneka)，作出一份研究報告，指出倘若裝設發電量為30.0 MWatt的多晶矽型太陽能光電發電系統，則其能源回收期是2.2年；假如同樣的裝設發電量為30.0 MWatt的矽薄膜型太陽能光電發電系統，則其能源回收期將可縮短為1.6年，如圖11-10所示的。

35 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
358 圖11-10 裝設發電量30.0 MWatt多晶矽型以及矽薄膜型太陽能光電發電系統的能源回收期分析圖

36 第十一章 太陽能電池科技的未來發展以及其展望 P
358 在2008年、2009年、以及2010年，太陽能光電發電系統的年產量約為4,000 MWatt、5,000 MWatt、以及7,000 MWatt。不過，實際的數值仍然地得隔一年，確實地整理總產生量而發表出來的，故預估值僅供參考之用。 EPIA研究機構預測，2010年世界太陽能電池的發電容量將達2.8 GWatt，其中矽晶薄膜型太陽能電池的比例約為8.0%，而矽晶圓片型太陽能電池的比例則是85.0%，往後的數十年間，基於環保綠化的考量，矽晶薄膜型太陽能電池的比例將呈現大幅地成長。