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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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太陽能大躍進

文/凱文‧布里斯(Kevin Bullis) 譯/張彥文

想要一窺太陽能的未來,首先得自上海搭乘一個小時的火車,然後坐計程車通過一片灰濛濛、快速成長中的五百萬人口城市無錫,之後再曲折地穿過一個工業園區,就可以抵達尚德電力的大門口。這家公司在創立後短短幾年中,已經成為全世界最大的晶矽太陽能板製造廠。

尚德電力企業總部,這幢不規則的八層樓,正面完全由太陽能板覆蓋,由將近2,600片兩公尺長的太陽能板,形成世界最大的太陽能電力網格建築表面;此外,聯合1,800片較小的太陽能板在屋頂上製造出的陣列,可以在晴天發出百萬瓦(megawatt)的電力,而且預估一整年的發電量是100萬瓩-小時(kilowatt-hours),足夠供應中國超過300人使用。

2001年尚德電力創立之初,全中國的太陽能面板廠,以全生產線投入的方式,亦需六個月的時間,才能製造出這麼大規模的面板陣列,不過尚德電力在2002年成立的第一家工廠,只花了一個多月的時間就做出來了。現在,這家工廠在12小時的輪班時間內,就可以製造出這樣的數量;預估到今年底,大概在午餐前就可以搞定了。尚德電力的產能自2002年每年10個百萬瓦,提升至今日的1,000個百萬瓦;而中國的整體產能則自2001年的2百萬瓦,一直上升到目前的4,000百萬瓦。

如此快速的成長,是透過極為嚴格的成本控管,使得中國在不到十年的時間,取代美國、日本及德國,成為全世界最大的太陽能板來源。2009年,中國的太陽能板產能已占全世界近乎一半,而且這個市占率還不斷在成長,全球前十大生產商,一半的總部都在中國。2007年,加州有一項太陽能計畫,當時美國的供應商提供了43%的面板,其他幾乎都被德國和日本獨占,只有2%來自中國;時至今日,中國的全球市占率是42%,而美國則下降至15%。

2004年製造矽太陽能板的平均成本是每瓦3.2美元,根據位於波士頓的太陽能產業分析機構Photon Consulting的資料,現在中國廠商的成本已經降到1.28美元,而歐美的廠商製造類似產品的成本則是2美元。成本優勢不只讓中國廠商取得產業的支配權,也重新定義了太陽能產業的前景,將太陽能發電向圈內人所謂的「打平成本」(grid parity)往前推了一大步,打平成本的意思是指太陽能發電的成本將和由化石燃料產生的電力成本一樣低廉。「五年之內,全世界30%至50%的市場將可以打平成本,」尚德電力的創辦人兼執行長施正榮,在他寬闊的辦公室裡,透過他的巨幅太陽能板看向窗外,做了這樣的表示。

目前尚德電力的策略,是藉由降低製造太陽能板的支出來減低成本,但是要與傳統發電方式抗衡,還得靠提升發電效率,讓每片太陽能板發出更多電力瓦數。施正榮在創業之前,是一名太陽能技術的研究員,公司在他的領導之下,已經發展出一種新的製造方式,他們的多晶矽模組打破了一項已存在15年的光電轉換效率紀錄,而且只花了幾個月時間,發電效率又再向上提升;現在該公司實驗室擁有的實驗原型機,號稱還有更佳的效率。如果上述的優勢能夠付諸實現,那麼最終可能為施正榮所謂的廉價太陽發電之夢,清出一條坦途。

抹布創造的財富

施正榮在許多方面反映出當代中國社會的複雜性,雖然他在距離無錫不到100公里的地方出生長大,但他的職場生涯是自澳洲開始的。在2000年回到中國並趕上中國經濟成長的黃金時期前,他在澳洲住了十年,同時入了澳洲籍,「我還得申請簽證才能在中國工作,」施正榮用帶著澳洲腔的英文笑著說。儘管擁有目前的財富和地位,穿著一件樣式簡單的西裝外套以及開領直條襯衫的他,依舊保有研究人員輕鬆和自信的風格,不過他輕鬆的外表以及和善的澳洲格調,掩蓋了他的企圖心和與中國的連結。在他的大辦公室裡,小心地排列了幾本以他為封面的雜誌,像是富比士雜誌亞洲版(Forbes Asia)的「太陽之王」(Sun King),和財星雜誌(Fortune)的「中國新太陽之王」(China’s New King of Solar),還有許多他所獲得的國家獎項以及其他獎項。而在入口處則是一隻巨大的蟾蜍,這是中國人財富的象徵,這隻蟾蜍口中含著一枚碟子大小的錢幣。

這個塑像也可說是幸運的象徵。2005年時,全球油價劇烈波動,而且包括歐洲在內的許多國家正推動減少二氧化碳排放,施正榮則讓尚德電力在紐約證券交易所(NYSE)公開上市。2006年,施正榮成為全中國排名第七的富人,依據富比士雜誌的估計,他的身價淨值超過14億美元,但是這個成功打造尚德的企業家,起初跟太陽能毫無關聯。

1960年代初期的中國,由於飢荒造成的貧困,迫使施正榮在鄉下務農的父母,必須在小時候就將他送給朋友收養。不過施正榮的學業成績優異,最終取得了光電科學的學士學位和雷射物理的碩士學位。跟許多80年代後期優秀的中國學生一樣,施正榮申請出國留學,本來想去美國的他並沒有如願,而是申請到了澳洲的學校。因為對澳洲十分陌生,留學初期,施正榮只能依賴他的同事幫忙,也因此認識了新南威爾斯大學前瞻太陽光電研究中心的主持人格林(Martin Green),他最著名的成就是發明了一種發電效率創紀錄的矽太陽能電池。施正榮當時申請了一個有薪水的研究職位,但是格林「立刻就拒絕我了,」他回憶。不過格林後來說服施正榮攻讀博士,而他只花了二年半就拿到了學位。1995年,施正榮開始在Pacific Solar公司工作,這家公司是從格林的實驗室中分拆出來的,致力於新型薄膜太陽能電池的商品化。

2000年時,施正榮就擔任Pacific Solar公司的執行主管,當時歐洲和日本的太陽能產業快速成長的消息,讓施正榮力圖有所作為,「我看見了太陽光電產業迅速發展的契機,」他說。在此同時,公司的技術研發因為耗時過久,有點趕不上市場,「那時候薄膜技術其實還沒準備好,」施正榮說。他也看到了在中國的機會,中國的成本低而且「還沒人了解這個領域的科技和產業」,因此,在國外待了十年後,他回到中國,向主管無錫規劃中的新高科技園區的官員們,簡報了他的商業計畫,這個新園區離他從小長大的地方僅一小時車程。不過官員們拒絕了他以低成本製造商業用矽太陽光電板的計畫,即使這個計畫十分保守,他們仍認為時機不夠成熟。至於今日在中國十分普及的創投公司或是大企業創投基金,當時也很稀少,所以在接下來的十個月中,施正榮就全力去遊說相關的政府官員,在這段期間,施正榮和他的妻子以及二個小孩,就只能靠著先前的積蓄度日。「真正的挑戰是,我得說服政府官員我可以創造成功的產業,而不只是設一個實驗室,」施正榮回憶說。而相關部門最終自當地的國營事業籌措了600萬美元,提供施正榮創辦尚德電力。

施正榮盯住每一個能夠節省成本的機會,他購買二手器材,協助一家日本公司設計新機器以換取折扣。此外,他也想辦法以便宜的人工來取代機器。

施正榮也把那些讓公司快速成長的方法應用在工廠中,例如他可以從總部的後門直接進入工廠。另外,不像日本或西方公司在太陽光電廠房中採用昂貴的機器手臂,尚德電力是靠人力,搬運傳遞一片片薄如蛋殼的矽晶圓到架子上,這些架子可以耐受高溫熔爐攝氏1,000度以上的高溫。跟自動化的工廠相較,使用人力不但成本低,而且產品的損壞率也會降低。至於機器則用在必需之處:在另外一個區域,工作人員用光束測試太陽能板的效率,然後靠機械手臂依據其效率裝入箱中。一群作業人員會進一步將這些太陽能板分類,確認這些深藍色的太陽能板有良好的品質(這個動作是確保當太陽能板組成電池時有一致的品質)。在另一座建築,工人們將單片的電池焊成長條,然後在一個光亮的盒子中,依據直行橫列的順序將之組合成完整的太陽能電池;最後的完成階段,仍仰賴人工將大片的電池黏合成面板,然後用抹布擦拭清潔。

需求出現

施正榮在2001年創辦尚德電力的時候,正好遇上了最佳的時機。當時在中國幾乎沒有人製造太陽光電設備,所以他在國內沒有什麼競爭對手。在此同時,全世界的太陽能市場也開始成長,德國議會於2000年通過了太陽能價格鼓勵的方案,而在2004年補貼金額增加之後,德國就成為全世界最大的太陽能板市場,也是尚德電力最大的營收來源。

當各國政府紛紛提出裝設再生能源的誘因時,需求就迅速增加,許多人就開始嘗試使用來自中國的低價太陽能板。「在2005和2006年時,我買不到太陽能板,」位於美國加州,從事太陽能板裝設,也是尚德電力第一批客戶的Akeena Solar公司執行長辛納蒙(Barry Cinnamon)表示,「需求遠超過供給,在全世界任何地方,只要有一家公司,可以賣出一片上面纏著電線,太陽一照就可以產生電力的玻璃的話,他們想賣多少都會有人要。」尚德電力不只能夠符合他的需求,還能夠配合各種不同的要求,「尚德電力最有趣的地方,就是他們願意幫我們製造特殊設計的太陽能板,」辛納蒙說,「其他公司都做不到。」

在施正榮創辦尚德電力數年後,太陽能產業所生產的電力瓦數,粗估每二年就會增加一倍,而尚德一直都跑在成長曲線的前面,直到2009年成長趨緩之前,都以每年增加一倍產量的速度成長,今年該公司仍然可能再成長100%,而且將會提供12,000個工作機會。而中國政府最近也核准了一項由中國發展銀行提供的73億美元借貸案,讓尚德能進一步擴張。

在此同時,數以百計的太陽能公司在中國成立,有些也成為全世界的重要供應商,像總部在北京附近的英利能源公司,雖然產量不如尚德,但它在加州的市占率還超過尚德,該公司的成本甚至更低。其他像晶澳、天合、中電光伏等公司,也迅速在國際上打出了品牌知名度。許多人會因此回憶起新南威爾斯大學的格林和他的實驗室,現在中國太陽能產業的六成,都由他的學生所掌控。雖然格林提供了許多的技術訓練,但他推崇,是施正榮的商業頭腦,才造就了中國太陽能產業的興盛。「我的學生們在中國有很大的影響力,」格林補充說,「我認為施正榮居功厥偉,因為他照亮了這條路,讓後來的人可以跟隨。」

綠色手段

當他創辦尚德電力時,施正榮知道他未來產品的效率,可能比現在他工廠中的產品增加一倍,因為格林在他的實驗室中就已經做出來了。如果你將最高等級的矽晶圓以某種特定的形式,改變上面的電子特性,然後在前後端的表面執行最佳的電流接觸,就可以比現在的太陽能板創造更大的發電量。不過唯一的問題是,格林的做法必須依賴半導體產業昂貴且前瞻的科技,這樣的太陽能板,成本會是尚德目前生產產品的100倍。

其實新南威爾斯大學自20年前,就已經嘗試將這項技術商品化,卻一直未成;施正榮決定另闢蹊徑,其關鍵在於用目前很容易取得,已經商品化的矽材料,以低成本做出相同的效率。施正榮指著公司已經取得的45項專利,以及申請中的65項專利表示,尚德已經成功達到這個目標,但細節必須保密,全公司也只有三個人看過整個新產品的製造過程。「任何一個了解製造過程的人,一定會成為其他公司亟欲挖角的目標,」尚德電力的技術長溫漢(Stuart Wenham)說。溫漢是格林在新南威爾斯大學及施正榮在Pacific Solar公司的同事,2005年被延攬至尚德電力負責製造新技術電池。「施正榮決定要保有這項競爭機密,所以他買下一家設備廠,專門用來製造這項技術所需要的設備,」溫漢說。

這項技術必須改變原本太陽能板生產過程中的一項流程:屏幕塗布。要自太陽取得電力,必須在太陽能板的表面,以糊狀的銀塗布成線,這些導電的銀線塗布得愈密,發電效率愈好,但是如果塗布得太密,太陽能板又吸收不到充足的陽光,所以銀線是愈細愈好,才不會有上述的問題,然而目前的技術無法讓銀線寬度小於120微米。

尚德電力的研究人員發展出一種在細長的帶子上處理矽晶圓的化學方法,可以在帶子上吸引銀,形成僅僅20微米的金屬線。除了可以製造出極細的銀線外,這樣的過程因為使用極細的矽晶圓,所以當銀線塗布在表面時,可以用塗布機具切斷,可望節省材料的成本;另外,以往製造太陽能電池時,因為要破壞矽晶圓的表面,所以會降低電池的效率,這種新方法可以取代傳統的做法。以這種新方法製造出來的產品,最佳情況可以達到18%的光電轉換效率,之前該公司的效率是13%,而尚德明年還將推出另一種新技術,初步測試發現還可以再將光電轉換效率提升一至二個百分點。這樣的效率提升看起來似乎不甚明顯,不過卻對發電成本有很大的影響,以過去的經驗法則推估,提升一個百分點的轉換效率,可以節省6%的成本。

尚德電力同時也贊助多起大學的產學合作案,包括新南威爾斯大學,以及墨爾本的旋濱科技大學(Swinburne University of Technology),研究重點在於解決目前太陽光電面臨的基本限制:太陽電池無法吸收陽光中所有的波長,也無法將許多波長充分地轉換為電力。這些合作案的一項關鍵投資是電漿子光學(plasmonics),這項技術是讓太陽能電池表面的金屬粒子,可以引導光能在電池內部來回振盪,而不是反射回去。因為採用電漿子光學,可以降低現行半導體材料的重要性,所以能夠減少半導體材料的用量,也因為其重要性相對降低,就可以改用價格遠低於純化晶矽的材料。「這些概念在未來10到20年間,大概都不太可能找到商品化的方法,」溫漢說,「但最後終將成真。」

前景未明

儘管尚德及太陽能產業在全球快速成長,目前太陽能仍占電力供應的極小部分,在美國只略高於0.1%,「這是四捨五入後的數字,」彭博(Bloomberg)新能源金融分析師布勒(Nathaniel Bullard)指出。

對這個規模很小的產業,目前很難分析未來的前景。布勒表示,其一,所有關於太陽光電何時可以趕上現行發電成本的預測,都充滿了不確定性。舉例來說,在太陽能發電中,太陽能板占的成本不到一半,其他還包括架設的成本、變頻器這類附加裝置的花費、販售和行銷成本,以及是否得到更多的資金支持等。進一步來說,當太陽光電得以和傳統發電抗衡時,這些太陽光電的製造商理應對他們的產品收取更高的費用,不過這也要視市場的情況而定。此外,若是太陽光電的需求仍高,部分是因為像德國或其他國家政府的鼓勵,那麼太陽能板的價格就可能維持在高檔,太陽能發電的價格就會仍高於傳統發電。

哪一種科技最適合太陽能發電的普遍應用,目前也不明朗,也許十年後,大多數人買的太陽能板並不是用矽材料,這樣的改變對尚德來說是一大考驗。因為即使具備改變方向的專業知識,但尚德電力目前的低製造成本是仰賴它在設備上的投資,以及和矽原料供應商的協定;在此同時,尚德的競爭者也正在發展新的材料,像位在亞歷桑那州田佩市(Tempe)的First Solar公司,利用碲化鎘製造出來的薄膜太陽能電池,每瓦的發電成本就比中國公司利用矽材料的成本更低。眾所皆知的是,First Solar的技術只有11%的光電轉換效率,雖然這樣相對的低效率造成較高的裝設成本,也限制了這種新技術的應用,然而薄膜太陽能池仍呈現一個穩定成長的全球市占率,自2003年的3%至今日超過了15%。

即使存在這些不確定因素,施正榮仍然深信,矽材料製造的太陽能電池,未來即使沒有政府補貼,仍然很有競爭力。他認為,有人說太陽能要打敗傳統發電必須等待新的突破的說法是鬼扯,「我們不是在談發射火箭,這只是基本的工程學,」施正榮補充說。

Copyright © 2010, Kevin Bullis. All Rights Reserved.



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