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高聚光型太陽能(HCPV)已成為全球太陽能產業目光新焦點。HCPV擁有高轉換效率及低平均化電力成本(LCOE)等優勢，極具開發價值與發展潛力，已吸引美國、歐洲、日本及臺灣等地的太陽能業者和研究單位全力投入研發，成為太陽能產業的明日之星。
太陽能電池可大致分為三代，第一代為矽晶太陽能電池，可區分為單晶矽與多晶矽兩種，商用歷史最悠久，目前矽晶太陽能電池也是市場主流，約占86%；第二代產品則為薄膜太陽能電池，主要構成材料分別為非晶矽(Amorphous Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代即為三五族(III-V)電池，如砷化鎵(GaAs)太陽能電池因具有良好的耐熱、耐輻射等特性，被運用于航太工業已有很長時間。
目前單晶矽太陽能電池轉換效率約20%，未來可望達到25%；多晶矽太陽能電池則約16%，下一代產品將再升至21%。至于薄膜太陽能電池方面，非晶矽電池的轉換效率平均僅約7~12.5%，碲化鎘電池轉換效率最高約17%，銅銦鎵硒電池則約20%。值得注意的是，三接面III-V族太陽能電池最佳轉換效率已達到44%，未來更有機會突破50%。
過去III-V族太陽能電池因價格過于高昂，故未被使用于一般地面型太陽能系統或家庭消費性用途，隨著人類對半導體材料的掌握度更高，并搭配聚光光學元件，如今三接面砷化鎵太陽能電池的轉換效率已可達到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太陽能發電系統(HCPV)。
HCPV首重聚光/追蹤系統開發
HCPV主要元件包括聚光型太陽能電池(即砷化鎵半導體晶片)、聚光型太陽能電池模組(包括光接收電池基板及透鏡)及太陽光追蹤器。目前臺灣核能研究所(簡稱核研所)開發的三接面太陽能電池由鍺(Ge)、砷化銦鎵(InGaAs)及磷化銦鎵(InGaP)三個不同材料的子電池組成，分別吸收不同波段的光譜。各子電池間藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)連接，所以三接面太陽能電池的電壓為個別子電池電壓的串聯，電流則局限于三個子電池的最小電流。
聚光型太陽能發電技術采用折射或反射式聚光方法，搭配太陽光追蹤器，將直射太陽光匯集入射于小面積高效率太陽能電池表面，使光能轉換為電能，達到發電目的。由于此種發電方法可大量減少電池使用量，因此具有降低系統成本的效益，被全球視為第三代太陽能發電重要發展項目之一。
聚光型太陽能電池模組主要有三種聚光方式(圖1)，可分為折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太陽能發電系統以澳洲的Solar System為代表，相關系統在使用上有反射鏡不易清潔的問題，且當系統故障或偏軸時，容易對人造成危險；而二次反射式聚光型太陽能發電系統則以美國SolFocus為代表，設計上因具有二個反射鏡面，除增加光線損耗，系統組裝對位也較困難。
圖1 聚光型太陽電池模組三種聚光方式
折射式聚光型太陽能電池模組采用菲涅爾透鏡，將太陽光折射匯入模組內之太陽能電池表面，聚焦的太陽光不會外泄造成人員損傷，其一次折射方式，相較于二次反射式聚光，光學損耗也較少，系統對位較容易。此外，相較于一次反射式(曲面式反射鏡)聚光型太陽能電池模組，折射式聚光型太陽能電池模組的聚光透鏡呈平面型式，較易清潔保養。
太陽光追蹤器結構包含經緯度型結構(Polar Tracking Type)及方位仰角型結構(Azimuth/Elevation Type)兩種型態。
前者的優點是結構單純，制作成本低，在夏至正午時分，太陽每分鐘在西向移動角度變化小，缺點則是追蹤角度范圍較小(最大約60度)。后者有利于追蹤角度范圍較大(仰角80度以上)的應用，缺點是結構較復雜，制作成本高，太陽每分鐘西向移動角度在夏至正午時分變化大。
對聚光型太陽能發電系統而言，因要求高追蹤精度，須使用方位仰角型太陽光追蹤器，方可吸收在高斜射角度之太陽光，不致影響系統發電效能。國際上的主流商品均是方位仰角型太陽光追蹤器。
太陽追蹤控制策略可分為開回路及閉回路兩類，開回路直接使用太陽位置軌跡公式計算，由追蹤控制器將太陽光追蹤器轉至定位；閉回路則是追蹤控制器接收太陽位置感測器訊號以判斷太陽位置，而將太陽光追蹤器轉至定位，由于太陽位置感測器可將訊號回授控制，故稱閉回路控制。兩種追蹤控制策略各有其優點，目前業界大多采用混合式控制策略。
全球PV大廠力挺 HCPV供應鏈加速成形
據2012年聚光型太陽能發電技術與市場預測報告顯示，盡管全球經濟不景氣，聚光型太陽能發電市場安裝量依然急速成長，在2012年安裝量已達505MW，至2020年將上看3.9GW。從太陽能電池應用趨勢來看，今后聚光型太陽能發電和薄膜電池的市占率將逐漸增加，追上晶矽太陽能電池的市占率(圖2)。
圖2 2009∼2020年HCPV市場預測，上圖為HCPV成長率及安裝量；下圖則為與其他方案的比較。
至于高聚光型太陽能發電成本，據美國SolFocus指出，當每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2?day)時，雙軸式追蹤太陽能系統的平均化電力成本(LCOE)比其他系統優異(圖3)；GTM(Greentech Media)Research也認為，2020年HCPV的LCOE約為0.08美元/kWh。
圖3 CPV的LCOE成本變化趨勢
看好HCPV市場潛力，不少國際知名公司正全力投入發展，在III-V族太陽能電池方面有德國AZUR和美國Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模組則有法國Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美國Amonix、Semprius；太陽光追蹤器部分亦有美國Amonix、SolFocus；最后在系統組裝及供應方面，則有美國Amonix、Emcore和SolFocus。
臺灣方面以核研所為主，該所與國際、國內業者在HCPV方面的合作已有一段時間，且展現不錯的成效，包括與美國UL簽訂2012?2018年研究計劃，并共同于高雄路竹建置HCPV測試場，執行CPV與PV模組發電系統長期戶外老化測試技術服務案。
此外，日本東京大學研究團隊去年制作出效率20.3%的量子點單接面太陽能電池后，亦選擇與核研所合作，進行聚光模組特性驗證。
至于國內合作方面，核研所亦全力協助國內廠商拓展海外市場，與億芳能源、綠源科技和禾晶能源，分別就HCPV模組、系統及太陽光追蹤器進行技術合作，爭取各國的再生能源系統開發案。例如億芳能源已完成阿布達比綠能城(Masdar City)80kW HCPV系統建置，目前正積極爭取下一期40MW以上的建案。綠源科技、禾晶能源則各自強攻HCPV太陽光追蹤裝置，以及CPV系統，已打入中國大陸、泰國和印度等地的太陽能系統建案供應鏈。
成本和效率為HCPV未來突破重點
未來HCPV技術發展重點將是降低成本，以提高市場占有率及競爭力。在國際方面，前美國能源部(DOE)部長Steven Chu提出SunShot計劃，期望在2020年前，將太陽能發電系統成本大幅降低，藉此提升太陽能做為主要能源來源的競爭力。
此外，美國能源部亦設立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)獎，吸引太陽能電池業者研發高效率III-V族聚光型太陽能電池的產制技術，以降低聚光型太陽能發電系統的成本。SUNPATH屬于美國能源部SunShot計劃的一部分，旨在對具有成本競爭力和高性能的太陽能電池技術持續進行投資，提高美國太陽能產業的制造能力與市場競爭力，目前Solar Junction已獲得補助。
效率亦是HCPV的發展重點，核研所近期已提出重大技術突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模組效率已分別達到32.5%及31.7%，未來將更精進聚光模組效能，以降低系統發電的單位成本。該所未來亦計劃開發III-V族多接面太陽能電池技術、低碳足跡聚光模組等技術，以克服HCPV各種開發難題。
提升太陽能電池的散熱效能與降低太陽能電池成本，常為業界在開拓太陽光發電應用亟欲解決的兩大課題，對此，業界已研擬采用磊晶剝離方法制作III-V族太陽能電池，以及在矽基板成長III-V族化合物半導體材料的磊晶技術，進一步提升太陽能電池元件的導熱能力，提高太陽能電池在高聚光環境下的工作效率與穩定性。
同時可藉由磊晶基板的重復使用，以及運用較廉價的矽基板取代鍺基板，縮減電池成本。由于此種HCPV研發計劃需業界與學界緊密配合，因此核研所正積極與晶元光電、臺積電、日本東洋鋼鈑等廠商洽談合作。另外，臺灣經濟部能源研發策略規畫小組也訂定太陽光電技術短中長期發展目標，短期將以矽晶及銅銦鎵硒薄膜電池為主，中期將聚焦聚光型及染料敏化電池，長期則將以高分子及銅鋅錫硫(CZTS)薄膜電池為研發方向。
效率/成本表現亮眼 HCPV發展掀熱潮
就太陽能電池及模組效率方面而言，目前HCPV獨占鰲頭(電池44%、模組36.2%)；因此，盡管目前太陽能市場仍以矽晶電池占大宗，但國際上皆認為HCPV因具有高效率及低平均化電力成本(LCOE)的特性，系未來最具有開發價值的太陽光電技術。
現今臺灣在矽晶電池技術發展已臻成熟，反觀HCPV技術尚處發展階段，且投入企業屬中小型，尚待政府扶持，以建立具國際競爭力的自主產業(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及銅鋅錫硫薄膜電池，則還須一段時間發展，尚未達到量產階段。
太陽能電池可大致分為三代，第一代為矽晶太陽能電池，可區分為單晶矽與多晶矽兩種，商用歷史最悠久，目前矽晶太陽能電池也是市場主流，約占86%；第二代產品則為薄膜太陽能電池，主要構成材料分別為非晶矽(Amorphous Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等。第三代即為三五族(III-V)電池，如砷化鎵(GaAs)太陽能電池因具有良好的耐熱、耐輻射等特性，被運用于航太工業已有很長時間。
目前單晶矽太陽能電池轉換效率約20%，未來可望達到25%；多晶矽太陽能電池則約16%，下一代產品將再升至21%。至于薄膜太陽能電池方面，非晶矽電池的轉換效率平均僅約7~12.5%，碲化鎘電池轉換效率最高約17%，銅銦鎵硒電池則約20%。值得注意的是，三接面III-V族太陽能電池最佳轉換效率已達到44%，未來更有機會突破50%。
過去III-V族太陽能電池因價格過于高昂，故未被使用于一般地面型太陽能系統或家庭消費性用途，隨著人類對半導體材料的掌握度更高，并搭配聚光光學元件，如今三接面砷化鎵太陽能電池的轉換效率已可達到44%，制作成本亦大幅降低，有助打造新一代高聚光型太陽能發電系統(HCPV)。
HCPV首重聚光/追蹤系統開發
HCPV主要元件包括聚光型太陽能電池(即砷化鎵半導體晶片)、聚光型太陽能電池模組(包括光接收電池基板及透鏡)及太陽光追蹤器。目前臺灣核能研究所(簡稱核研所)開發的三接面太陽能電池由鍺(Ge)、砷化銦鎵(InGaAs)及磷化銦鎵(InGaP)三個不同材料的子電池組成，分別吸收不同波段的光譜。各子電池間藉由穿隧接面(Tunnelling Junction)連接，所以三接面太陽能電池的電壓為個別子電池電壓的串聯，電流則局限于三個子電池的最小電流。
聚光型太陽能發電技術采用折射或反射式聚光方法，搭配太陽光追蹤器，將直射太陽光匯集入射于小面積高效率太陽能電池表面，使光能轉換為電能，達到發電目的。由于此種發電方法可大量減少電池使用量，因此具有降低系統成本的效益，被全球視為第三代太陽能發電重要發展項目之一。
聚光型太陽能電池模組主要有三種聚光方式(圖1)，可分為折射式、一次反射式和二次反射式聚光。一次反射式聚光型太陽能發電系統以澳洲的Solar System為代表，相關系統在使用上有反射鏡不易清潔的問題，且當系統故障或偏軸時，容易對人造成危險；而二次反射式聚光型太陽能發電系統則以美國SolFocus為代表，設計上因具有二個反射鏡面，除增加光線損耗，系統組裝對位也較困難。
圖1 聚光型太陽電池模組三種聚光方式
折射式聚光型太陽能電池模組采用菲涅爾透鏡，將太陽光折射匯入模組內之太陽能電池表面，聚焦的太陽光不會外泄造成人員損傷，其一次折射方式，相較于二次反射式聚光，光學損耗也較少，系統對位較容易。此外，相較于一次反射式(曲面式反射鏡)聚光型太陽能電池模組，折射式聚光型太陽能電池模組的聚光透鏡呈平面型式，較易清潔保養。
太陽光追蹤器結構包含經緯度型結構(Polar Tracking Type)及方位仰角型結構(Azimuth/Elevation Type)兩種型態。
前者的優點是結構單純，制作成本低，在夏至正午時分，太陽每分鐘在西向移動角度變化小，缺點則是追蹤角度范圍較小(最大約60度)。后者有利于追蹤角度范圍較大(仰角80度以上)的應用，缺點是結構較復雜，制作成本高，太陽每分鐘西向移動角度在夏至正午時分變化大。
對聚光型太陽能發電系統而言，因要求高追蹤精度，須使用方位仰角型太陽光追蹤器，方可吸收在高斜射角度之太陽光，不致影響系統發電效能。國際上的主流商品均是方位仰角型太陽光追蹤器。
太陽追蹤控制策略可分為開回路及閉回路兩類，開回路直接使用太陽位置軌跡公式計算，由追蹤控制器將太陽光追蹤器轉至定位；閉回路則是追蹤控制器接收太陽位置感測器訊號以判斷太陽位置，而將太陽光追蹤器轉至定位，由于太陽位置感測器可將訊號回授控制，故稱閉回路控制。兩種追蹤控制策略各有其優點，目前業界大多采用混合式控制策略。
全球PV大廠力挺 HCPV供應鏈加速成形
據2012年聚光型太陽能發電技術與市場預測報告顯示，盡管全球經濟不景氣，聚光型太陽能發電市場安裝量依然急速成長，在2012年安裝量已達505MW，至2020年將上看3.9GW。從太陽能電池應用趨勢來看，今后聚光型太陽能發電和薄膜電池的市占率將逐漸增加，追上晶矽太陽能電池的市占率(圖2)。
圖2 2009∼2020年HCPV市場預測，上圖為HCPV成長率及安裝量；下圖則為與其他方案的比較。
至于高聚光型太陽能發電成本，據美國SolFocus指出，當每日平均直射日照大于7DNI(kWh/m2?day)時，雙軸式追蹤太陽能系統的平均化電力成本(LCOE)比其他系統優異(圖3)；GTM(Greentech Media)Research也認為，2020年HCPV的LCOE約為0.08美元/kWh。
圖3 CPV的LCOE成本變化趨勢
看好HCPV市場潛力，不少國際知名公司正全力投入發展，在III-V族太陽能電池方面有德國AZUR和美國Spectrolab、Spire Semiconductor、EMCORE及Solar Junction；聚光模組則有法國Soitec、日本Daido Steel、西班牙Guasor Foton和美國Amonix、Semprius；太陽光追蹤器部分亦有美國Amonix、SolFocus；最后在系統組裝及供應方面，則有美國Amonix、Emcore和SolFocus。
臺灣方面以核研所為主，該所與國際、國內業者在HCPV方面的合作已有一段時間，且展現不錯的成效，包括與美國UL簽訂2012?2018年研究計劃，并共同于高雄路竹建置HCPV測試場，執行CPV與PV模組發電系統長期戶外老化測試技術服務案。
此外，日本東京大學研究團隊去年制作出效率20.3%的量子點單接面太陽能電池后，亦選擇與核研所合作，進行聚光模組特性驗證。
至于國內合作方面，核研所亦全力協助國內廠商拓展海外市場，與億芳能源、綠源科技和禾晶能源，分別就HCPV模組、系統及太陽光追蹤器進行技術合作，爭取各國的再生能源系統開發案。例如億芳能源已完成阿布達比綠能城(Masdar City)80kW HCPV系統建置，目前正積極爭取下一期40MW以上的建案。綠源科技、禾晶能源則各自強攻HCPV太陽光追蹤裝置，以及CPV系統，已打入中國大陸、泰國和印度等地的太陽能系統建案供應鏈。
成本和效率為HCPV未來突破重點
未來HCPV技術發展重點將是降低成本，以提高市場占有率及競爭力。在國際方面，前美國能源部(DOE)部長Steven Chu提出SunShot計劃，期望在2020年前，將太陽能發電系統成本大幅降低，藉此提升太陽能做為主要能源來源的競爭力。
此外，美國能源部亦設立SUNPATH(Scaling Up Nascent PV at Home)獎，吸引太陽能電池業者研發高效率III-V族聚光型太陽能電池的產制技術，以降低聚光型太陽能發電系統的成本。SUNPATH屬于美國能源部SunShot計劃的一部分，旨在對具有成本競爭力和高性能的太陽能電池技術持續進行投資，提高美國太陽能產業的制造能力與市場競爭力，目前Solar Junction已獲得補助。
效率亦是HCPV的發展重點，核研所近期已提出重大技術突破，在聚光倍率四百七十六及一千倍下，模組效率已分別達到32.5%及31.7%，未來將更精進聚光模組效能，以降低系統發電的單位成本。該所未來亦計劃開發III-V族多接面太陽能電池技術、低碳足跡聚光模組等技術，以克服HCPV各種開發難題。
提升太陽能電池的散熱效能與降低太陽能電池成本，常為業界在開拓太陽光發電應用亟欲解決的兩大課題，對此，業界已研擬采用磊晶剝離方法制作III-V族太陽能電池，以及在矽基板成長III-V族化合物半導體材料的磊晶技術，進一步提升太陽能電池元件的導熱能力，提高太陽能電池在高聚光環境下的工作效率與穩定性。
同時可藉由磊晶基板的重復使用，以及運用較廉價的矽基板取代鍺基板，縮減電池成本。由于此種HCPV研發計劃需業界與學界緊密配合，因此核研所正積極與晶元光電、臺積電、日本東洋鋼鈑等廠商洽談合作。另外，臺灣經濟部能源研發策略規畫小組也訂定太陽光電技術短中長期發展目標，短期將以矽晶及銅銦鎵硒薄膜電池為主，中期將聚焦聚光型及染料敏化電池，長期則將以高分子及銅鋅錫硫(CZTS)薄膜電池為研發方向。
效率/成本表現亮眼 HCPV發展掀熱潮
就太陽能電池及模組效率方面而言，目前HCPV獨占鰲頭(電池44%、模組36.2%)；因此，盡管目前太陽能市場仍以矽晶電池占大宗，但國際上皆認為HCPV因具有高效率及低平均化電力成本(LCOE)的特性，系未來最具有開發價值的太陽光電技術。
現今臺灣在矽晶電池技術發展已臻成熟，反觀HCPV技術尚處發展階段，且投入企業屬中小型，尚待政府扶持，以建立具國際競爭力的自主產業(表1)。至于更前瞻的染料敏化、高分子及銅鋅錫硫薄膜電池，則還須一段時間發展，尚未達到量產階段。
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