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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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尋找太陽能解決方案

大衛‧羅特曼(David Rotman)

艾爾塔進軍競爭激烈的太陽能市場,希望結合先進技術和聰明製程,在其他許多公司鎩羽而歸的領域大放異彩。

艾爾塔(Alta Devices)這家新創公司規模雖小,資金卻充足,設在矽谷一棟不起眼的辦公大樓內,而那棟大樓曾經是索靈德拉(Solyndra)的總部。索靈德拉去年燒掉數億美元的聯邦貸款和創投資金之後聲請破產。艾爾塔的執行長克里斯多福.諾里斯(Christopher Norris)笑著說,這個地方風水是否不好,仍然不清楚,但是曾在半導體產業當過高階主管,也是創投家的諾里斯,十分清楚他公司的未來命運,取決於是否能撐過高風險、高成本的新技術規模化製程。他相信利用艾爾塔的技術產生的電力,價格能和化石燃料發電廠一別苗頭,而且遠比今天的太陽能模組便宜。

艾爾塔的會議室有一張表,諾里斯在那裡貼上公司所生產太陽能電池的樣品。艾爾塔的太陽能電池是黑色彈性薄板,用透明的塑膠包覆。外表看起來沒什麼,但那是因為關鍵成分──極薄的砷化鎵薄片──幾乎看不到的緣故。這種半導體很能吸收光線,化為電力。艾爾塔有一種厚僅二、三微米的砷化鎵作用層裝置,最近創下光電效率的最高紀錄。但是太陽能電池使用砷化鎵也極為昂貴,而且成形的薄膜通常很脆弱,難以進行加工。事實上,艾爾塔的創新之處,不在於材料的選擇──數十年來,砷化鎵半導體早已運用於衛星和太空船的太陽能電池中──而是知道如何將它做成適宜絕大多數應用的便宜太陽能模組。

艾爾塔公司創立於2007年,技術的根基來自世界上首屈一指的兩位光電材料學者。其中之一是加州大學柏克萊分校的電機工程教授艾里.亞伯隆諾維奇(Eli Yablonovitch)。1980年代他在貝爾通訊研究所(Bell Communications Research)服務時,發展出專利的超薄砷化鎵薄膜生產技術。另一位是加州理工學院(Caltech)的應用物理與材料科學教授哈里‧艾特華特(Harry Atwater),他在使用微觀和奈米結構改善材料捕捉光線、轉換電力這方面領先群倫。

奧古斯都資本(August Capital)的創投家安迪.拉帕波特(Andy Rappaport)和這兩位科學家合作,創立艾爾塔,並且找來矽谷老將比爾.喬伊(Bill Joy)為投資人,再和其他共同創辦人組成包括諾里斯在內的管理團隊。他們的目標是:生產高效率而且成本低於現行矽技術的太陽能電池。

在這個節骨眼上,許多太陽能新創公司都走岔了路,還沒有了解經濟面和製程上的挑戰,就急著擴大創新技術的生產規模。艾爾塔卻不這麼做,頭幾年都祕密進行,就像諾里斯說的,悄悄摸索砷化鎵太陽能電池製程是否不只是「科學實驗」,而是能作為可行的製造基礎。

砷化鎵太陽能電池實驗留下來的遺跡,在艾爾塔辦公室後面寒酸的實驗室裡仍然可見。小小的陶鍋放在電爐上面──這是公司早期最佳化亞伯隆諾維奇的「外延層剝離」(epitaxial liftoff)技術所留下來的。亞伯隆諾維奇技術用酸精確地從晶圓上分離砷化鎵薄膜。實驗室的其他地方,設備慢慢變大且更為複雜,反映整個實驗逐步擴大運轉。實驗室的門設有觀察窗,讓有意投資的金主不必穿戴無塵室的衣帽,也能一窺堂奧,了解實驗室內部的運作情形。接近觀察窗的地方,放著這家公司研發努力的心血結晶之一:一套將一批批樣品,加工製成薄膜太陽能電池的長型設備。這是很能說服人的證據,顯示早期用陶鍋和電爐所做的研究,能夠轉成自動化製程,做出真實世界所需的良品。

太陽能剝離

喬伊是昇陽電腦公司(Sun Microsystems)的共同創辦人,現在是矽谷知名的創投家,第一次看到後來成為艾爾塔公司的經營計畫時,和柯伯高拜(Kleiner Perkins Caufield & Byers)的同事早就在尋找高效率的薄膜太陽能技術。喬伊手上有一張清單,記錄他相信「成功機率合理」的理想技術。太陽能電池的日光轉換效率如果很高,且能製造出便宜彈性薄片的話,將可顯著降低太陽能發電的整體成本。如要求效率高,砷化鎵技術是自然的選擇,但是艾爾塔端出的經濟面效益,才真正讓投資人感到興趣。「他們的核心能力,是把它做得能夠大量生產,」喬伊說。不到幾個月,喬伊就和拉帕波特一起投資。

砷化鎵是近乎完美的太陽能材料,理由有許多。它吸收的光線不止遠多於矽──用它做成的薄膜,捕捉的光子和一百倍厚的矽一樣多──而且它對熱的敏感度,低於矽太陽能電池,後者的性能在25°C以上就急劇降低。而且,在光線相當少的情況中(例如清晨或者黃昏),砷化鎵保有的發電能力比矽要好。

亞伯隆諾維奇數十年前開發出來的技術,是降低成本的關鍵。半導體可以用外延的方式電鍍:當薄層以化學方法沉積在單晶砷化鎵的基板上,每一層都有相同的單晶結構。亞伯隆諾維奇發現,如果把一層砷化鋁夾在兩層砷化鎵中間,就能用酸進行選擇性侵蝕的步驟,上面的砷化鎵就能剝離。這是製造這種薄膜材料既優雅且簡單的方法,但是這個過程有它的問題:單晶薄膜容易碎裂,而變得毫無價值。艾爾塔的研究人員在改良亞伯隆諾維奇的製造方法時,找到生產不容易碎裂的強固薄膜方法。做出來的薄膜不止只用少量的半導體材料,而且昂貴的砷化鎵基板也可以多次重複使用,有助於降低整個製程的成本。

創辦艾爾塔的科學家所做的研究,找到提高太陽能電池性能的技術。光發電所以可行,是因被捕捉的光子能夠激升半導體中的電子能階,使它們脫離出來,流向金屬接點產生電流。但是漫遊的電子可能因各種問題被浪費掉,例如遇到熱。但在砷化鎵中,游離出來的電子往往和帶正電荷的「洞」重新結合,再度產生光子,有助於整個程序再次重新開始。

這個研究,有助於艾爾塔設計生產的太陽能電池,能善用「光子回收」的特性,因而有許多機會重新捕捉光子,將它們化為電力。

艾爾塔的效率創下新高紀錄:它的電池能將28.3%的光線轉化為電力,而矽太陽能電池的最高效率是25%,一般的薄膜太陽能材料則不超過20%。亞伯隆諾維奇表示,艾爾塔最後很有可能達到30%以上的效率,並且接近理論極限33.4%。

諾里斯說,有這麼高的效率,加上砷化鎵能在相當高溫微光的環境中運作,一年產生的能源可能是傳統矽太陽能電池的兩三倍,當然會使太陽能發電的價格直接降低。諾里斯說,砷化鎵技術達到每千瓦小時7美分的「平均能源成本」(levelized cost of energy;業界通用的量數,包括發電廠的興建與營運生命週期成本),「並非不合理的預期。」諾里斯表示,太陽能發電以這種價格,新的燃氣發電廠的發電成本約為每千瓦小時10美分,面對化石燃料(包括天然氣)將具有競爭力。而且成本將遠低於現今太陽能發電每千瓦小時約20美分的成本。

這些數字令人砰然心動。但諾里斯很快就補上一句:需要投資約10億美元興建一座廠房生產線,太陽能模組的產量才足以產生十億瓦的電力,而這相當於幾座中型發電廠的產出。「我想我們不會單獨做這件事,」他說。

索靈德拉的陰影

矽谷自2000年代中期之後,對潔淨能源技術很感興趣,但它還沒有想通一件十分重要的事:誰將供應所有必要的資金,以擴大能源技術的運轉規模,以及興建廠房和生產?創投家或許擅長於挑選技術,但極少人口袋夠深,或者有耐性在生產太陽能模組這種資本密集的行業競爭。索靈德拉在加州費利蒙(Fremont)興建了7億3300萬美元的工廠,最後以破產收場。這只是提醒他們什麼事情都可能出錯的近例。

艾爾塔的主要投資人拉帕波特說,他通常不投資潔淨能源技術,包括光電。他表示,投資太陽能的許多投資人賭新創公司可以降低邊際製造成本,因而能「搶得一些市場占有率」。他說,這「注定失敗」,因為「在你知道你手上的東西是否有價值之前,必須投入數億美元去興建工廠。」

現在光電已經是競爭愈來愈激烈的商品化產業,同時價格持續重挫,新廠面對的是一個移動目標,策略風險特別高。但是拉帕波特說,艾爾塔並沒有試著靠建
立產能來創造價值,它希望的是從智慧財產獲利:「我們已經一再說明,我們希望的是建立夥伴關係,而不是募集和支出自己的資本去興建工廠,可以用更快的速度擴增產能和建立更為強大的公司。」

艾爾塔目前的投資人包括奇異(GE)、住友(Sumitomo)、陶氏化學(Dow Chemical)。陶氏化學最近推出將薄膜光電產品包含在內的屋頂板。雖然這些公司數
度投資──艾爾塔到目前為止募集到1 億2000萬美元──諾里斯希望能看到一些交易上門,例如簽訂授權協議或者合資經營,由製造商提出產能,生產艾爾塔的太陽能電池,或者在它們的產品中使用艾爾塔的太陽能技術。他說,為了做到這件事,艾爾塔首先需要「消除」生產技術的風險,向可能的合夥人證明砷化鎵太陽能模組真的能以便宜且具競爭力的方式生產。

發電數字

艾爾塔正在距總部不到一哩的地方,整修和改裝網飛(Netflix)以前用來存放DVD的倉庫,將它改裝成4,000萬美元的試營運設施,以測試它的設備。雖然這座廠房遠比商業化太陽能工廠小,卻不可小看。諾里斯小心翼翼地看著用來強化屋頂的新圓柱,支撐沉重的通風和排放控制設備。但艾爾塔執行長走進這座生產線後面快要完工的部分時,神情開朗起來。那裡有幾間白色房間,裡面安裝了像實驗室器材那樣的定製設備,只是體積比較大,將用於製造太陽能電池。

艾爾塔是否成功,主要取決於製造上的創新得有多好。試營運設施的成本和商業化規模的太陽能工廠造價比起來,或許是小巫見大巫,卻仍然是新創公司的重大投資。而且,即使艾爾塔正忙於年底之前開始運轉這座生產線,諾里斯表示,他們也慎重其事,按部就班的擴大運轉步驟。這和早前太陽能新創公司動輒砸下數億美元的創投基金,盡快興建工廠的做法大相逕庭。但是我們不應該將艾爾塔步步為營的做法,誤認為缺乏野心。諾里斯說,艾爾塔的目標是打造「起改造作用的基礎技術」。

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