汽車整合太陽能電池技術(shù)商轉(zhuǎn) 鎖定四大目標

不少人關(guān)注兩年一度舉辦的「世界太陽能車挑戰(zhàn)賽（World Solar Challenge）」，看的就是各大學(xué)生團隊及其所研發(fā)的太陽能電動車。這項賽事從1987年開跑，目標是推動太陽能動力車的發(fā)展，并促進光伏技術(shù)創(chuàng)新。以往都在澳洲舉行，2021年卻因當?shù)匦鹿谝咔橄拗?，改在摩洛哥（the Solar Challenge Morocco）舉辦。

大家都知道這場比賽對汽車與光伏業(yè)者而言，參賽的原型車就是他們的專業(yè)經(jīng)銷據(jù)點，各家廠商紛紛展示最新的技術(shù)，同時在備賽制造與參與競賽的過程中，獲得新的技術(shù)見解。

但較少人知道的是，目前已有好幾款汽車開放選用「汽車整合太陽能電池（vehicle-integrated PV；VIPV）」，而且有些高科技新創(chuàng)公司和邁向規(guī)?；钠髽I(yè)都在摩拳擦掌，等著進入太陽能動力的電動車市場，未來可望單獨依靠這些整合式太陽能板來支撐汽車續(xù)行長達數(shù)月。

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

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

VIPV市場與技術(shù)的現(xiàn)況
Loic Tous回顧：「90年代，福斯汽車首度采用了小型的太陽能車頂，在Audi A8、VW Phaeton、Skoda Superb等車款中開放選用。但這些車頂造價極其高昂，售價超過2000歐元（約為新臺幣62.6萬元），而且最大輸出功率只有300Wp，當時的設(shè)計考慮是要避免因為12V電池系統(tǒng)電量耗損而產(chǎn)生的引擎點火問題?！?br/>
「過去十年來，整合式太陽能技術(shù)快速發(fā)展，如今也漸漸能在業(yè)界汽車的大規(guī)模整合應(yīng)用中充分展現(xiàn)成本效益?！顾又f道。

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

這些太陽能全景天窗的功率輸出約為幾百瓦，主要用來輔助車載空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)。如此一來，依據(jù)不同的行車地點與歷程而有個別差異，每年大約可以多出2000~3000km的續(xù)航里程。



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

「由于汽車制造商本來就會生產(chǎn)大型的全景天窗，所以進一步與太陽能系統(tǒng)整合就是合理的下一步。大型全景天窗包含兩片玻璃板，中間會以聚合物封裝膠貼合，以避免在事故時玻璃碎裂，而在玻璃與封裝膠之間額外貼合太陽能電池，只需稍加處理及少量成本，所以汽車產(chǎn)業(yè)目前都在慎重考慮導(dǎo)入?！筁oic Tous指出。

不過，實際上并不只是把太陽能電池黏到天窗現(xiàn)有層板之中那么簡單。就以剛剛提到的貼膜制程來說，汽車產(chǎn)業(yè)會透過高壓殺菌器來處理，但高壓可能會破壞光伏組件。

此外，殺菌器通常需要較長的處理時間，才能達到令人滿意的成果。而光伏產(chǎn)業(yè)則是以簡單的壓膜機進行貼膜，不僅過程中的壓力較小，而且更能優(yōu)化產(chǎn)量和進行線內(nèi)處理。盡管如此，傳統(tǒng)的壓膜機應(yīng)用到汽車時還是有些缺點。

Loic Tous進一步解釋：「光伏壓膜機通常在太陽能板的單側(cè)施壓，在平面托架的支撐下貼上單層薄膜。如果在沒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導(dǎo)致玻璃破碎?！?br/>
因此，愛美科布建了全新的雙膜壓膜機，能夠在太陽能板的兩面同時均勻施力。在愛美科跨界研究團隊imec.icon的電動車整合太陽能天窗計劃SUNDRIVE中，這套新制程也被拿來與殺菌器制程比較。

「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，也就是保護太陽能電池不受濕度、機械應(yīng)力等環(huán)境挑戰(zhàn)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；而在汽車產(chǎn)業(yè)，玻璃基板之間常用的夾層由車用聚乙烯丁醛（PVB）制成，在沖擊、透明度和聲學(xué)特性（對靜音電動車來說尤其重要）方面皆已優(yōu)化。但另一方面，PVB材料更容易吸水，因此較難提供太陽能板防濕和耐鹽的保護。

Loic Tous直言：「整體來說，我們可以歸類出兩種制程。業(yè)界的傳統(tǒng)方法從現(xiàn)有的汽車制造技術(shù)、材料和制程而來，并以符合太陽能整合技術(shù)的需求為發(fā)展導(dǎo)向。這也是為什么現(xiàn)在的太陽能板天窗、殺菌器和車用PVB材料，全都在為了與光伏技術(shù)兼容而持續(xù)導(dǎo)入并改良?！?br/>
長遠來看，在成本與產(chǎn)量上較能實現(xiàn)規(guī)?；慕鉀Q方案，可能就源自這些為太陽能板而優(yōu)化的技術(shù)、材料和制程，并以導(dǎo)入汽車制造供應(yīng)鏈為目標。

「另一方面，在技術(shù)較為成熟，但也算是傳統(tǒng)的建筑整合型太陽能板（building-integrated PV；BIPV）市場，現(xiàn)階段的營造廠已有充分信心脫離PVB建材，開始采用EVA或POE材料。我相信未來這也會在汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)?！筁oic Tous表示期待。

下個里程碑：車用與太陽能系統(tǒng)的整合設(shè)計
雖然前景看好，但設(shè)計與制造配備車用太陽能板的新型車款有個最大挑戰(zhàn)，那就是要成功免除定期充電的需求。這也是新創(chuàng)和規(guī)模企業(yè)目前的開發(fā)重點，例如荷蘭的Lightyear和德國的Sonomotors。這兩家電動車廠分別推出了Lightyear One和Sion，計劃要讓整合式太陽能板具備獨立充分發(fā)電的能力，以供應(yīng)像是每日通勤這類短程行駛的動能。



 
圖二 : 太陽能動力電動車必須整合汽車與光伏系統(tǒng)的設(shè)計，而且布建太陽能板的位置除了車頂之外，還要擴及車身。（source：Lightyear）

Loic Tous指出：「透過整合式太陽能模塊，這些車商的目標是每年增加上萬的續(xù)航里程。在功率輸出的表現(xiàn)上，這些模塊能達到破千瓦，而太陽能全景天窗只有兩百瓦左右?！?br/>
豐田汽車針對太空應(yīng)用已進一步改良并制造出一些搭載高效能太陽能電池的原型車款，但成本對商轉(zhuǎn)來說高得嚇人。為了在符合經(jīng)濟效益下達到同樣的功率輸出水平，太陽能模塊的布建除了在車頂，還必須包含車身。此外，像是重量、空氣動力學(xué)和輪胎摩擦等相關(guān)因素，重要性也逐漸受到關(guān)注。

「整合式太陽能天窗的制程簡單且兼容性高，相較之下，全太陽能動力的電動車就需要一套全新方法來實現(xiàn)汽車與光伏系統(tǒng)的整合設(shè)計。」Tous表示。

但是研發(fā)相關(guān)技術(shù)卻極具挑戰(zhàn)。例如，車身太陽能板和玻璃天窗不同，材料種類更多，包含金屬、塑料、纖維復(fù)合材料，而且這些整合式太陽能系統(tǒng)還必須通過所有車用測試，驗證其可靠性與長達10~15年的使用壽命，考慮車身損壞的狀況，零件也必須要方便汰換或維修。

VIPV技術(shù)的未來展望
考慮VIPV技術(shù)的復(fù)雜現(xiàn)況，愛美科攜手伙伴積極投入各項研發(fā)與相關(guān)技術(shù)以推進未來發(fā)展。舉例來說，先前談到的SUNDRIVE計劃就鎖定了太陽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(jié)晶硅、鈣鈦礦／硅的層迭式太陽能電池，發(fā)展并拓展創(chuàng)新的內(nèi)連導(dǎo)線技術(shù)

2.研發(fā)符合車用規(guī)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能電池模塊布局，并導(dǎo)入先進的建模工具

4.進行業(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美科與國際創(chuàng)業(yè)機構(gòu)Vlaio（Flanders Innovation & Entrepreneurship）資助，目前已進行到了一半。該聯(lián)盟匯集了四大產(chǎn)業(yè)伙伴（其中還有電動車玻璃面板的供應(yīng)大廠）與愛美科數(shù)個研究團隊，并表示可望在2022年底發(fā)布研究成果。

愛美科還與業(yè)界共同進行另一項研發(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(xù)的結(jié)晶硅太陽能模塊，滿足不同應(yīng)用需求。其中一位合作伙伴是Sonomotors車身太陽能板的芬蘭供貨商Valoe。

Loic Tous表示：「為了讓太陽能模塊與汽車整合，這項計劃聚焦在輕量化設(shè)計。例如，我們正在研究新一代的結(jié)晶硅電池，不僅發(fā)電效率超過23%，更采用創(chuàng)新的迭瓦型技術(shù)（shingling technology），將曲面太陽能板的可用面積最大化。」

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，電池也通過多項重要的太陽能與車用測試。2022年底前，他們更計劃要打造出整合太陽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)攜手迭瓦型太陽能電池技術(shù)與設(shè)備商意大利應(yīng)用材料（Applied Materials Italy）。



 
圖三 : 愛美科在2021歐洲太陽能光電展上發(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(tǒng)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）

全球最大的太陽能產(chǎn)業(yè)盛會「歐盟太陽能光電展（EU PVSEC）」于2021年9月登場，愛美科在會上完整展出HighLite計劃的研發(fā)細節(jié)，同時發(fā)表一篇關(guān)于開發(fā)與測試輕量型太陽能模塊的論文，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行比較。此外，愛美科未來也計劃納入更多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年世界太陽能車挑戰(zhàn)賽的參賽原型車款BluePoint Atlas。（source：KU Leuven）

Loic Tous總結(jié)：「我們也與參加世界太陽能車挑戰(zhàn)賽的比利時魯汶大學(xué)團隊建立長期合作關(guān)系，提供了像是建模與特征化等專業(yè)協(xié)助，今年甚至提供更多的技術(shù)支持，并開放他們使用我們位于比利時亨克EnergyVille Campus研究中心的設(shè)備?！?br/>
運用這項優(yōu)勢，魯汶大學(xué)的參賽隊伍使用了愛美科最新的雙膜壓膜機來制造BluePoint Atlas賽車的太陽能模塊。此次他們沒有選配太空應(yīng)用的高效能電池，雖然這些電池效能高達30%，但單價約為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(guī)則也開放他們增加覆蓋面積，快速達到成本與性能的平衡點。不過，這也代表著這些電池的外型設(shè)計必須更符合汽車的輪廓，而這正是愛美科的強項。在歷時五天的賽程中，該團隊獲得總排名第二的成果。

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