汽車(chē)整合太陽(yáng)能電池技術(shù)商轉 鎖定四大目標

不少人關(guān)注兩年一度舉辦的「世界太陽(yáng)能車(chē)挑戰賽（World Solar Challenge）」，看的就是各大學(xué)生團隊及其所研發(fā)的太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)。這項賽事從1987年開(kāi)跑，目標是推動(dòng)太陽(yáng)能動(dòng)力車(chē)的發(fā)展，并促進(jìn)光伏技術(shù)創(chuàng )新。以往都在澳洲舉行，2021年卻因當地新冠疫情限制，改在摩洛哥（the Solar Challenge Morocco）舉辦。

大家都知道這場(chǎng)比賽對汽車(chē)與光伏業(yè)者而言，參賽的原型車(chē)就是他們的專(zhuān)業(yè)經(jīng)銷(xiāo)據點(diǎn)，各家廠(chǎng)商紛紛展示最新的技術(shù)，同時(shí)在備賽制造與參與競賽的過(guò)程中，獲得新的技術(shù)見(jiàn)解。

但較少人知道的是，目前已有好幾款汽車(chē)開(kāi)放選用「汽車(chē)整合太陽(yáng)能電池（vehicle-integrated PV；VIPV）」，而且有些高科技新創(chuàng )公司和邁向規?；钠髽I(yè)都在摩拳擦掌，等著(zhù)進(jìn)入太陽(yáng)能動(dòng)力的電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)，未來(lái)可望單獨依靠這些整合式太陽(yáng)能板來(lái)支撐汽車(chē)續行長(cháng)達數月。

愛(ài)美科的imomec團隊是其位于比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)的聯(lián)合實(shí)驗室，也是歐洲綠能研究組織EnergyVille的成員。在今年的世界太陽(yáng)能車(chē)挑戰賽，imomec太陽(yáng)能電池與模塊研究的計劃主持人Loic Tous及其團隊，協(xié)助比利時(shí)魯汶大學(xué)的Agoria學(xué)生團隊制造其參賽車(chē)款BluePoint Atlas。

Loic Tous對商用VIPV技術(shù)獨具見(jiàn)解，本文將分享最新技術(shù)、實(shí)務(wù)展望，以及業(yè)界正在努力解決的首要研發(fā)挑戰。

VIPV市場(chǎng)與技術(shù)的現況
Loic Tous回顧：「90年代，福斯汽車(chē)首度采用了小型的太陽(yáng)能車(chē)頂，在A(yíng)udi A8、VW Phaeton、Skoda Superb等車(chē)款中開(kāi)放選用。但這些車(chē)頂造價(jià)極其高昂，售價(jià)超過(guò)2000歐元（約為新臺幣62.6萬(wàn)元），而且最大輸出功率只有300Wp，當時(shí)的設計考慮是要避免因為12V電池系統電量耗損而產(chǎn)生的引擎點(diǎn)火問(wèn)題?！?br/>
「過(guò)去十年來(lái)，整合式太陽(yáng)能技術(shù)快速發(fā)展，如今也漸漸能在業(yè)界汽車(chē)的大規模整合應用中充分展現成本效益?！顾又?zhù)說(shuō)道。

目前已有些車(chē)款設計標配或提供選配整合太陽(yáng)能板的全景天窗，包含豐田的插電式混合動(dòng)力車(chē)Prius Prime、裕隆日產(chǎn)的平價(jià)車(chē)款Leaf、美國Karma的第二代電動(dòng)超跑Revero、現代的Sonata及Ioniq 5。其他豪車(chē)品牌也紛紛仿效，未來(lái)將會(huì )支持類(lèi)似功能，很可能以選配的「太陽(yáng)能套件（solar package）」方式推出，如同現有的駕駛輔助、商務(wù)或其他后座舒適套件。

這些太陽(yáng)能全景天窗的功率輸出約為幾百瓦，主要用來(lái)輔助車(chē)載空調（HVAC）系統。如此一來(lái)，依據不同的行車(chē)地點(diǎn)與歷程而有個(gè)別差異，每年大約可以多出2000~3000km的續航里程。



 
圖一 : 目前市面上已有數款配備太陽(yáng)能全景天窗的家庭車(chē)款，從左到右：2019 Prius Prime（source：Toyota）、2020 Revero（source：Karma Fischer）、2021 Ioniq 5（source：Hyundai）。

「由于汽車(chē)制造商本來(lái)就會(huì )生產(chǎn)大型的全景天窗，所以進(jìn)一步與太陽(yáng)能系統整合就是合理的下一步。大型全景天窗包含兩片玻璃板，中間會(huì )以聚合物封裝膠貼合，以避免在事故時(shí)玻璃碎裂，而在玻璃與封裝膠之間額外貼合太陽(yáng)能電池，只需稍加處理及少量成本，所以汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目前都在慎重考慮導入?！筁oic Tous指出。

不過(guò)，實(shí)際上并不只是把太陽(yáng)能電池黏到天窗現有層板之中那么簡(jiǎn)單。就以剛剛提到的貼膜制程來(lái)說(shuō)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)會(huì )透過(guò)高壓殺菌器來(lái)處理，但高壓可能會(huì )破壞光伏組件。

此外，殺菌器通常需要較長(cháng)的處理時(shí)間，才能達到令人滿(mǎn)意的成果。而光伏產(chǎn)業(yè)則是以簡(jiǎn)單的壓膜機進(jìn)行貼膜，不僅過(guò)程中的壓力較小，而且更能優(yōu)化產(chǎn)量和進(jìn)行線(xiàn)內處理。盡管如此，傳統的壓膜機應用到汽車(chē)時(shí)還是有些缺點(diǎn)。

Loic Tous進(jìn)一步解釋?zhuān)骸腹夥鼔耗C通常在太陽(yáng)能板的單側施壓，在平面托架的支撐下貼上單層薄膜。如果在沒(méi)有任何支撐的情況下放置曲面玻璃板，那股單面施加的壓力會(huì )導致玻璃破碎?！?br/>
因此，愛(ài)美科布建了全新的雙膜壓膜機，能夠在太陽(yáng)能板的兩面同時(shí)均勻施力。在愛(ài)美科跨界研究團隊imec.icon的電動(dòng)車(chē)整合太陽(yáng)能天窗計劃SUNDRIVE中，這套新制程也被拿來(lái)與殺菌器制程比較。

「兩者都能產(chǎn)出完美運作的組件，但壓膜方法在量產(chǎn)化方面具有最大的潛力?！筁oic Tous表示。

愛(ài)美科的其他研究成果與目標則鎖定封裝材料，也就是保護太陽(yáng)能電池不受濕度、機械應力等環(huán)境挑戰影響的封裝層。

光伏產(chǎn)業(yè)主要使用乙烯乙酸乙烯（EVA）或是聚烯烴（PO）材料來(lái)制造封裝層。這些材料能讓水或鹽等試劑的滲入最小化，但在抗沖擊性和聲學(xué)特性上的性能較薄弱；而在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，玻璃基板之間常用的夾層由車(chē)用聚乙烯丁醛（PVB）制成，在沖擊、透明度和聲學(xué)特性（對靜音電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)尤其重要）方面皆已優(yōu)化。但另一方面，PVB材料更容易吸水，因此較難提供太陽(yáng)能板防濕和耐鹽的保護。

Loic Tous直言：「整體來(lái)說(shuō)，我們可以歸類(lèi)出兩種制程。業(yè)界的傳統方法從現有的汽車(chē)制造技術(shù)、材料和制程而來(lái)，并以符合太陽(yáng)能整合技術(shù)的需求為發(fā)展導向。這也是為什么現在的太陽(yáng)能板天窗、殺菌器和車(chē)用PVB材料，全都在為了與光伏技術(shù)兼容而持續導入并改良?！?br/>
長(cháng)遠來(lái)看，在成本與產(chǎn)量上較能實(shí)現規?；慕鉀Q方案，可能就源自這些為太陽(yáng)能板而優(yōu)化的技術(shù)、材料和制程，并以導入汽車(chē)制造供應鏈為目標。

「另一方面，在技術(shù)較為成熟，但也算是傳統的建筑整合型太陽(yáng)能板（building-integrated PV；BIPV）市場(chǎng)，現階段的營(yíng)造廠(chǎng)已有充分信心脫離PVB建材，開(kāi)始采用EVA或POE材料。我相信未來(lái)這也會(huì )在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現?！筁oic Tous表示期待。

下個(gè)里程碑：車(chē)用與太陽(yáng)能系統的整合設計
雖然前景看好，但設計與制造配備車(chē)用太陽(yáng)能板的新型車(chē)款有個(gè)最大挑戰，那就是要成功免除定期充電的需求。這也是新創(chuàng )和規模企業(yè)目前的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，例如荷蘭的Lightyear和德國的Sonomotors。這兩家電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)分別推出了Lightyear One和Sion，計劃要讓整合式太陽(yáng)能板具備獨立充分發(fā)電的能力，以供應像是每日通勤這類(lèi)短程行駛的動(dòng)能。



 
圖二 : 太陽(yáng)能動(dòng)力電動(dòng)車(chē)必須整合汽車(chē)與光伏系統的設計，而且布建太陽(yáng)能板的位置除了車(chē)頂之外，還要擴及車(chē)身。（source：Lightyear）

Loic Tous指出：「透過(guò)整合式太陽(yáng)能模塊，這些車(chē)商的目標是每年增加上萬(wàn)的續航里程。在功率輸出的表現上，這些模塊能達到破千瓦，而太陽(yáng)能全景天窗只有兩百瓦左右?！?br/>
豐田汽車(chē)針對太空應用已進(jìn)一步改良并制造出一些搭載高效能太陽(yáng)能電池的原型車(chē)款，但成本對商轉來(lái)說(shuō)高得嚇人。為了在符合經(jīng)濟效益下達到同樣的功率輸出水平，太陽(yáng)能模塊的布建除了在車(chē)頂，還必須包含車(chē)身。此外，像是重量、空氣動(dòng)力學(xué)和輪胎摩擦等相關(guān)因素，重要性也逐漸受到關(guān)注。

「整合式太陽(yáng)能天窗的制程簡(jiǎn)單且兼容性高，相較之下，全太陽(yáng)能動(dòng)力的電動(dòng)車(chē)就需要一套全新方法來(lái)實(shí)現汽車(chē)與光伏系統的整合設計?！筎ous表示。

但是研發(fā)相關(guān)技術(shù)卻極具挑戰。例如，車(chē)身太陽(yáng)能板和玻璃天窗不同，材料種類(lèi)更多，包含金屬、塑料、纖維復合材料，而且這些整合式太陽(yáng)能系統還必須通過(guò)所有車(chē)用測試，驗證其可靠性與長(cháng)達10~15年的使用壽命，考慮車(chē)身?yè)p壞的狀況，零件也必須要方便汰換或維修。

VIPV技術(shù)的未來(lái)展望
考慮VIPV技術(shù)的復雜現況，愛(ài)美科攜手伙伴積極投入各項研發(fā)與相關(guān)技術(shù)以推進(jìn)未來(lái)發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，先前談到的SUNDRIVE計劃就鎖定了太陽(yáng)能整合天窗的突破性技術(shù)。具體包含高風(fēng)險也高回報的四大目標：

1.針對大面積結晶硅、鈣鈦礦／硅的層迭式太陽(yáng)能電池，發(fā)展并拓展創(chuàng )新的內連導線(xiàn)技術(shù)

2.研發(fā)符合車(chē)用規范的曲面玻璃涂布與壓膜技術(shù)

3.制造能夠容許遮蔭的太陽(yáng)能電池模塊布局，并導入先進(jìn)的建模工具

4.進(jìn)行業(yè)界不同世代全景天窗的產(chǎn)品概念驗證

這項為期兩年的研究計劃由愛(ài)美科與國際創(chuàng )業(yè)機構Vlaio（Flanders Innovation & Entrepreneurship）資助，目前已進(jìn)行到了一半。該聯(lián)盟匯集了四大產(chǎn)業(yè)伙伴（其中還有電動(dòng)車(chē)玻璃面板的供應大廠(chǎng)）與愛(ài)美科數個(gè)研究團隊，并表示可望在2022年底發(fā)布研究成果。

愛(ài)美科還與業(yè)界共同進(jìn)行另一項研發(fā)，是由「歐洲展望2020（Horizon 2020）」資助的HighLite計劃，致力于打造高性能、低成本且永續的結晶硅太陽(yáng)能模塊，滿(mǎn)足不同應用需求。其中一位合作伙伴是Sonomotors車(chē)身太陽(yáng)能板的芬蘭供貨商Valoe。

Loic Tous表示：「為了讓太陽(yáng)能模塊與汽車(chē)整合，這項計劃聚焦在輕量化設計。例如，我們正在研究新一代的結晶硅電池，不僅發(fā)電效率超過(guò)23%，更采用創(chuàng )新的迭瓦型技術(shù)（shingling technology），將曲面太陽(yáng)能板的可用面積最大化?！?br/>
近期該團隊建立了新的里程碑，成功展示輕量（<6kg/m2）且具備高效能硅材電池的原型模塊，電池也通過(guò)多項重要的太陽(yáng)能與車(chē)用測試。2022年底前，他們更計劃要打造出整合太陽(yáng)能板的引擎蓋解決方案。為了達成目標，與業(yè)界合作至關(guān)重要，目前他們已經(jīng)攜手迭瓦型太陽(yáng)能電池技術(shù)與設備商意大利應用材料（Applied Materials Italy）。



 
圖三 : 愛(ài)美科在2021歐洲太陽(yáng)能光電展上發(fā)表兩項VIPV模塊的輕量化方案，包含以玻璃纖維強化材料的封裝膠（GFRE）或背板（GFRB）取代正面或背面玻璃面板；這些方案與傳統雙玻璃（GG）或玻璃背板（GBS）方法相比，成功大幅減少50%的模塊重量。（source：imec）

全球最大的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)盛會(huì )「歐盟太陽(yáng)能光電展（EU PVSEC）」于2021年9月登場(chǎng)，愛(ài)美科在會(huì )上完整展出HighLite計劃的研發(fā)細節，同時(shí)發(fā)表一篇關(guān)于開(kāi)發(fā)與測試輕量型太陽(yáng)能模塊的論文，介紹兩種使用玻璃纖維強化材料取代玻璃的制程方法，并將其對模塊重量的影響進(jìn)行比較。此外，愛(ài)美科未來(lái)也計劃納入更多VIPV技術(shù)的相關(guān)研究，以比較采用硅材電池與銅銦鎵硒（CIGS）薄膜的差別。



 
圖四 : 魯汶大學(xué)Agoria學(xué)生團隊于2021年世界太陽(yáng)能車(chē)挑戰賽的參賽原型車(chē)款BluePoint Atlas。（source：KU Leuven）

Loic Tous總結：「我們也與參加世界太陽(yáng)能車(chē)挑戰賽的比利時(shí)魯汶大學(xué)團隊建立長(cháng)期合作關(guān)系，提供了像是建模與特征化等專(zhuān)業(yè)協(xié)助，今年甚至提供更多的技術(shù)支持，并開(kāi)放他們使用我們位于比利時(shí)亨克EnergyVille Campus研究中心的設備?！?br/>
運用這項優(yōu)勢，魯汶大學(xué)的參賽隊伍使用了愛(ài)美科最新的雙膜壓膜機來(lái)制造BluePoint Atlas賽車(chē)的太陽(yáng)能模塊。此次他們沒(méi)有選配太空應用的高效能電池，雖然這些電池效能高達30%，但單價(jià)約為100歐元，取而代之的是使用的高階硅材電池，發(fā)電效率落在23%~25%，但每顆成本僅需1歐元。

因為這些電池效率較低，比賽規則也開(kāi)放他們增加覆蓋面積，快速達到成本與性能的平衡點(diǎn)。不過(guò)，這也代表著(zhù)這些電池的外型設計必須更符合汽車(chē)的輪廓，而這正是愛(ài)美科的強項。在歷時(shí)五天的賽程中，該團隊獲得總排名第二的成果。

（本文由愛(ài)美科授權提供；作者Loic Tous為愛(ài)美科太陽(yáng)能電池與模塊計劃研究主持人；編譯／吳雅婷）