砷化鎵應用就在你身邊(3)─太陽能電池
- 黃書瑋
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III-V族多接面太陽能電池發展現況
III-V族化合物半導體係由週期表三族與五族之元素調配組合之化合物，如砷化鎵(GaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦鎵(InGaP)等，這些材料已常被應用於光電產品及微波通訊產品，如發光二極體、雷射二極體、及高速電晶體元件等都是其行之有年的應用領域。直到近年來因地球暖化日趨嚴重，人類科技快速進步與人口持續成長下，能源需求勢必激增，除了節流外，大量綠色替代能源的開發更是勢所難免，太陽能產業因而興起，除了大量使用矽半導體材料之外，也帶動了以砷化鎵半導體材料為主的高效率多接面太陽能電池的發展與應用。
多接面太陽能電池早期已被大量使用在太空衛星及國防軍事領域，近幾年已有多家國外大廠將其產品技術用於民生發電用途，其多接面高效率的特性更是在各類太陽能電池產品中持續保持領先。多年來各類太陽能電池效率的進展，不論是單晶矽、多晶矽、或是薄膜太陽能電池，其效率至多超過10%或是20%，而III-V族多接面太陽能電池在目前可量產的效率(標準1 sun下)已經可以很輕易地超過30%，足見III-V族多接面太陽能電池在效率上的領先地位。
聚焦式III-V族太陽能電池產業鏈
聚焦式III-V族太陽能電池產業鏈的中上游結構類似發光二極體產業，在III-V族太陽能電池產業中，最上游的基板材料商負責晶棒製作並將晶棒切割、拋光、研磨、清洗後製作成基板，之後在基板上以磊晶技術成長III-V族多接面磊晶層而得到磊晶片，其後依照半導體製程之黃光、蝕刻、鍍膜等步驟製作成太陽能電池晶片。此晶片經由測試後依不同設計應用切割成不同尺寸的晶粒，而中下游的太陽能模組廠取得此電池晶粒後將其固晶接合封裝在導熱基板上並作電線的串並聯，在周圍以框架機構及聚焦鏡組合後即形成聚焦式太陽能電池模組，由於聚焦鏡須對準太陽光並將光能量聚集在電池晶粒的透光區上，所以此太陽能電池模組一般都需要搭配追日器(tracker) 。最後，太陽能系統廠商將太陽能電池模組搭配蓄電池、變頻器(inverter)、及控制電路等相關部分組合而形成一整套發電系統。
III-V族多接面太陽能電池磊晶片構造
相較於矽材料，III-V族半導體材料(如GaAs)具有優異的吸光特性，只需要很薄的厚度，就可吸收相當於200-300 um單晶矽所吸收的陽光；同時III-V族材料的光電轉換效率非常高，在標準一個太陽光下GaAs的轉換效率可達25%；而且III-V族材料抗輻射性較強，成為太空船與人造衛星理想電源來源；此外，III-V族材料的抗熱性較優，適合應用於聚光型系統，且在聚光下電池效率更可超過36%以上，在高溫時的發電效率下降幅度亦比矽太陽能電池低。
目前最普遍的三接面太陽能電池，一般是以有機金屬化學氣相沈積技術(MOCVD)來製造磊晶片。主要做為光電轉換的是InGaP接面、InGaAs接面及Ge接面，每一個接面均具有一個獨立太陽能電池光電轉換功能，各接面之間以穿隧材料層做為串接相鄰接面導通之用。因為每一個接面使用的材料不同，因此各接面負責吸收的光譜區段也不同。
III-V族多接面太陽能電池元件製程
在完成多接面太陽能電池磊晶片後，即可藉由標準半導體製程製作太陽能電池。一般III-V族太陽能電池主要製造程序，在成長磊晶片之後，經由背面金屬製程、正面金屬製程、抗反射膜製程、切割製程、及量測檢驗後即完成太陽能電池晶粒。
III-V族多接面太陽能電池市場與應用
以目前III-V族多接面太陽能電池高轉換效率而言，幾乎已是一般矽太陽能電池的兩倍。早在1970~80就成為太空中人造衛星的主要電力來源；近年來，藉由高聚焦型CPV (HCPV)的概念，加上優異的轉換效率，III-V族多接面太陽能電池才被應用到地面上的發電系統，近兩年在西班牙、澳洲、美國等地已逐漸有業者建置HCPV系統進行發電用途，台灣在今年也有業者在新營架設示範系統進行發電，市場已逐漸被開發出來。
一般人在設置太陽能發電系統時首先考量是初期建置成本的高低，HCPV太陽能發電系統的成本目前約為Si-PV發電系統的兩倍，所以目前市場佔有率尚屬偏低<1%，在全世界HCPV真正裝置運作的發電量尚不及20MW，整體市場尚屬於萌芽階段，雖然建置成本相對於Si-PV較高，但是若從一個發電系統的長期效益來評估，更應該考量系統實際可產出的電量，每電度的成本，投資成本多久可以回收等相關議題。以相同額定瓦數(Watts)的發電系統而言，因HCPV高效率特性，系統建置所需土地面積可以更有效利用之外，在戶外實際運作(~40℃)的紀錄也顯示，HCPV發電系統比Si-PV的發電系統可多產出~20%的電量，長時間累積下來HCPV發電系統才是最具經濟效益的選擇。
從1 sun下效率30幾%到聚焦下效率40幾%，及從人造衛星的應用(非聚焦型式)到地面上電廠的應用(聚焦型式)，充份顯示出III-V族多接面太陽能電池高效率及多元化應用的特性。尤其，只要是想利用太陽能而又有使用面積及重量的限制時，III-V族太陽能電池將逐漸展露頭角，如：太陽能電池加裝在無人飛行載具的機翼上以提升續航能力、汽車車頂上作為輔助電力、手機背蓋上以延長待機時間以及太陽能路燈等，III-V族多接面太陽能電池的高轉換效率都將是最好的選擇。
穩懋提供產業所需之產品與服務
穩懋半導體憑藉多年III-V族高速電晶體產品製程開發與生產經驗，正適合投入多接面磊晶片及太陽能電池之開發與製造。從切入此產品製程領域至今大約兩年多的時間，已驗證出在一個標準太陽光下(0.1W/平方公分)超過30%效率的磊晶片材料及太陽能電池，而在500倍聚焦型的應用上，太陽能電池已可以超過37%的效率，此技術能力已足堪聚焦式發電系統所用，比起歐美及國內相關公司，雖然穩懋投入時間較晚，但若是以生產製造能力及未來往6吋晶片生產的趨勢來看，穩懋將處於優先地位。基於此優勢，穩懋先以目前成熟的4吋太陽能晶片為基礎，建立相關製程技術，並提供給此領域的公司一個III-V族多接面太陽能電池產品開發及晶片代工製造的平台，未來一旦市場需求擴增且6吋晶片原料成熟，將可以自有之6吋生產線快速提供相關產品及代工服務，我們也期望在全球綠能的潮流發展之下，穩懋在III-V族多接面太陽能電池領域可以提供多元與持續穩定的服務，並與相關業界共同成長。(本文由穩懋半導體提供，DIGITIMES整理)
