核能所开发第一片8寸磊晶片III-V族太阳能电池产业未来可期

1997年《京都议定书》制定目的为解决气候变迁之问题，而京都议定书将于2012年届满，环顾全球石化燃料仍大量使用，二氧化碳的排放量亦逐年增高，全球温室效应问题日益严重，加上2011年日本福岛发生震惊全球的辐射安全危机，促使世界各国积极发展再生能源作为替代性能源。台湾在2008年6月由行政院核定「永续能源政策纲领」，其中要点三、政策纲领─「净源节流」，在「净源」方面，积极发展无碳再生能源，有效运用再生能源开发潜力，预期于2025年占发电系统的8%以上。

III-V族太阳能电池是目前所有太阳能电池中，能量转换效率最高，且全球已超过50家公司或机构投入聚光型太阳光发电系统的开发，其中美国Solar Junction公司研发III-V族多接面太阳能电池转换效率已达到 43.5%；美国Amonix公司开发的HCPV系统发电效率亦达30%以上。在2008年，核研所投入相当人力，开始建立有机金属化学气相沉积系统(Metal-organic chemical vapor deposition；MOCVD) ，并自行开发III-V族多接面(InGaP/GaAs/Ge)太阳能电池的磊晶及制程技术。目前，研发团队已发展出38%能量转换效率之太阳能电池元件；未来将持续精进磊晶与制程技术，朝40%以上目标迈进。


图1，8寸太阳能电池磊晶片。

   
图2，路竹1MW聚光型示范电厂。

此外，核研所在研发「聚光型太阳能发电(Concentrated Photovoltaic；CPV)」系统技术上已有显著成果。此次核研所发表的重大研发成果计有3项：第一，在高效率III-V族太阳能电池元件研发方面，其能量转换效率已达到38%以上。其次，太阳能电池磊晶尺寸提升至8寸(如图1)，大幅减少太阳能电池磊晶及制程成本的支出。第三项，HCPV系统研发方面，已完成MW级高聚光太阳能发电示范系统(如图2)的建置。

HCPV系统的工作原理系以化合物半导体材料所制成的太阳能电池元件，加上一聚光透镜将太阳光能量汇聚在太阳能电池元件上，聚光型太阳能电池模组如图3所示。此外，化合物半导体材料所制作的太阳能电池元件，光电转换效率比矽基太阳能电池元件高。再者，利用聚光透镜可以使单一太阳能电池元件吸收数百倍的太阳光能量，大幅减少太阳能电池元件的使用数量；由于聚光透镜成本比高效率聚光型太阳能电池的成本低，因此使用聚光透镜可大幅降低HCPV系统的建置成本。此外，HCPV系统的应用除了大型太阳能发电厂的建立，亦可用于屋顶型及分散式发电系统。目前高效率聚光型太阳能电池的开发与应用已成为太阳能电池元件发展的主要趋势之一。

台湾光电半导体产业具有完整的产业体系及量产能力，目前虽以发光二极体、雷射与微波元件的产制为主，但MOCVD系统相同，台湾磊晶技术的基础深厚；核研所进行III-V族高效率太阳能电池、聚光系统与追踪器等的研发，推广并逐步与产业界合作，将可使台湾的光电半导体产业领域更具多样性，并能与机械产业结合，进而建立相关的再生能源产业。此外，HCPV产业于台湾成型时，将可增进半导体、光电、机械及电子等产业领域的就业机会。(本文由行政院原子能委员会核能研究所太阳光电专案计划研究员兼主持人郭成聪博士/副研究员吴志宏博士/副研发师杨敏德博士提供／DIGITIMES刘一婷整理)