汽车整合太阳能电池技术商转 锁定四大目标

不少人关注两年一度举办的「世界太阳能车挑战赛（World Solar Challenge）」，看的就是各大学生团队及其所研发的太阳能电动车。这项赛事从1987年开跑，目标是推动太阳能动力车的发展，并促进光伏技术创新。以往都在澳洲举行，2021年却因当地新冠疫情限制，改在摩洛哥（the Solar Challenge Morocco）举办。

大家都知道这场比赛对汽车与光伏业者而言，参赛的原型车就是他们的专业经销据点，各家厂商纷纷展示最新的技术，同时在备赛制造与参与竞赛的过程中，获得新的技术见解。

但较少人知道的是，目前已有好几款汽车开放选用「汽车整合太阳能电池（vehicle-integrated PV；VIPV）」，而且有些高科技新创公司和迈向规模化的企业都在摩拳擦掌，等着进入太阳能动力的电动车市场，未来可望单独依靠这些整合式太阳能板来支撑汽车续行长达数月。

爱美科的imomec团队是其位于比利时哈瑟尔特大学的联合实验室，也是欧洲绿能研究组织EnergyVille的成员。在今年的世界太阳能车挑战赛，imomec太阳能电池与模块研究的计划主持人Loic Tous及其团队，协助比利时鲁汶大学的Agoria学生团队制造其参赛车款BluePoint Atlas。

Loic Tous对商用VIPV技术独具见解，本文将分享最新技术、实务展望，以及业界正在努力解决的首要研发挑战。

VIPV市场与技术的现况
Loic Tous回顾：「90年代，福斯汽车首度采用了小型的太阳能车顶，在Audi A8、VW Phaeton、Skoda Superb等车款中开放选用。但这些车顶造价极其高昂，售价超过2000欧元（约为新台币62.6万元），而且最大输出功率只有300Wp，当时的设计考虑是要避免因为12V电池系统电量耗损而产生的引擎点火问题。」

「过去十年来，整合式太阳能技术快速发展，如今也渐渐能在业界汽车的大规模整合应用中充分展现成本效益。」他接着说道。

目前已有些车款设计标配或提供选配整合太阳能板的全景天窗，包含丰田的插电式混合动力车Prius Prime、裕隆日产的平价车款Leaf、美国Karma的第二代电动超跑Revero、现代的Sonata及Ioniq 5。其他豪车品牌也纷纷仿效，未来将会支持类似功能，很可能以选配的「太阳能套件（solar package）」方式推出，如同现有的驾驶辅助、商务或其他后座舒适套件。

这些太阳能全景天窗的功率输出约为几百瓦，主要用来辅助车载空调（HVAC）系统。如此一来，依据不同的行车地点与历程而有个别差异，每年大约可以多出2000~3000km的续航里程。



 
图一 : 目前市面上已有数款配备太阳能全景天窗的家庭车款，从左到右：2019 Prius Prime（source：Toyota）、2020 Revero（source：Karma Fischer）、2021 Ioniq 5（source：Hyundai）。

「由于汽车制造商本来就会生产大型的全景天窗，所以进一步与太阳能系统整合就是合理的下一步。大型全景天窗包含两片玻璃板，中间会以聚合物封装胶贴合，以避免在事故时玻璃碎裂，而在玻璃与封装胶之间额外贴合太阳能电池，只需稍加处理及少量成本，所以汽车产业目前都在慎重考虑导入。」Loic Tous指出。

不过，实际上并不只是把太阳能电池黏到天窗现有层板之中那么简单。就以刚刚提到的贴膜制程来说，汽车产业会透过高压杀菌器来处理，但高压可能会破坏光伏组件。

此外，杀菌器通常需要较长的处理时间，才能达到令人满意的成果。而光伏产业则是以简单的压膜机进行贴膜，不仅过程中的压力较小，而且更能优化产量和进行线内处理。尽管如此，传统的压膜机应用到汽车时还是有些缺点。

Loic Tous进一步解释：「光伏压膜机通常在太阳能板的单侧施压，在平面托架的支撑下贴上单层薄膜。如果在没有任何支撑的情况下放置曲面玻璃板，那股单面施加的压力会导致玻璃破碎。」

因此，爱美科布建了全新的双膜压膜机，能够在太阳能板的两面同时均匀施力。在爱美科跨界研究团队imec.icon的电动车整合太阳能天窗计划SUNDRIVE中，这套新制程也被拿来与杀菌器制程比较。

「两者都能产出完美运作的组件，但压膜方法在量产化方面具有最大的潜力。」Loic Tous表示。

爱美科的其他研究成果与目标则锁定封装材料，也就是保护太阳能电池不受湿度、机械应力等环境挑战影响的封装层。

光伏产业主要使用乙烯乙酸乙烯（EVA）或是聚烯烃（PO）材料来制造封装层。这些材料能让水或盐等试剂的渗入最小化，但在抗冲击性和声学特性上的性能较薄弱；而在汽车产业，玻璃基板之间常用的夹层由车用聚乙烯丁醛（PVB）制成，在冲击、透明度和声学特性（对静音电动车来说尤其重要）方面皆已优化。但另一方面，PVB材料更容易吸水，因此较难提供太阳能板防湿和耐盐的保护。

Loic Tous直言：「整体来说，我们可以归类出两种制程。业界的传统方法从现有的汽车制造技术、材料和制程而来，并以符合太阳能整合技术的需求为发展导向。这也是为什么现在的太阳能板天窗、杀菌器和车用PVB材料，全都在为了与光伏技术兼容而持续导入并改良。」

长远来看，在成本与产量上较能实现规模化的解决方案，可能就源自这些为太阳能板而优化的技术、材料和制程，并以导入汽车制造供应链为目标。

「另一方面，在技术较为成熟，但也算是传统的建筑整合型太阳能板（building-integrated PV；BIPV）市场，现阶段的营造厂已有充分信心脱离PVB建材，开始采用EVA或POE材料。我相信未来这也会在汽车产业实现。」Loic Tous表示期待。

下个里程碑：车用与太阳能系统的整合设计
虽然前景看好，但设计与制造配备车用太阳能板的新型车款有个最大挑战，那就是要成功免除定期充电的需求。这也是新创和规模企业目前的开发重点，例如荷兰的Lightyear和德国的Sonomotors。这两家电动车厂分别推出了Lightyear One和Sion，计划要让整合式太阳能板具备独立充分发电的能力，以供应像是每日通勤这类短程行驶的动能。



 
图二 : 太阳能动力电动车必须整合汽车与光伏系统的设计，而且布建太阳能板的位置除了车顶之外，还要扩及车身。（source：Lightyear）

Loic Tous指出：「透过整合式太阳能模块，这些车商的目标是每年增加上万的续航里程。在功率输出的表现上，这些模块能达到破千瓦，而太阳能全景天窗只有两百瓦左右。」

丰田汽车针对太空应用已进一步改良并制造出一些搭载高效能太阳能电池的原型车款，但成本对商转来说高得吓人。为了在符合经济效益下达到同样的功率输出水平，太阳能模块的布建除了在车顶，还必须包含车身。此外，像是重量、空气动力学和轮胎摩擦等相关因素，重要性也逐渐受到关注。

「整合式太阳能天窗的制程简单且兼容性高，相较之下，全太阳能动力的电动车就需要一套全新方法来实现汽车与光伏系统的整合设计。」Tous表示。

但是研发相关技术却极具挑战。例如，车身太阳能板和玻璃天窗不同，材料种类更多，包含金属、塑料、纤维复合材料，而且这些整合式太阳能系统还必须通过所有车用测试，验证其可靠性与长达10~15年的使用寿命，考虑车身损坏的状况，零件也必须要方便汰换或维修。

VIPV技术的未来展望
考虑VIPV技术的复杂现况，爱美科携手伙伴积极投入各项研发与相关技术以推进未来发展。举例来说，先前谈到的SUNDRIVE计划就锁定了太阳能整合天窗的突破性技术。具体包含高风险也高回报的四大目标：

1.针对大面积结晶硅、钙钛矿／硅的层迭式太阳能电池，发展并拓展创新的内连导线技术

2.研发符合车用规范的曲面玻璃涂布与压膜技术

3.制造能够容许遮荫的太阳能电池模块布局，并导入先进的建模工具

4.进行业界不同世代全景天窗的产品概念验证

这项为期两年的研究计划由爱美科与国际创业机构Vlaio（Flanders Innovation & Entrepreneurship）资助，目前已进行到了一半。该联盟汇集了四大产业伙伴（其中还有电动车玻璃面板的供应大厂）与爱美科数个研究团队，并表示可望在2022年底发布研究成果。

爱美科还与业界共同进行另一项研发，是由「欧洲展望2020（Horizon 2020）」资助的HighLite计划，致力于打造高性能、低成本且永续的结晶硅太阳能模块，满足不同应用需求。其中一位合作伙伴是Sonomotors车身太阳能板的芬兰供货商Valoe。

Loic Tous表示：「为了让太阳能模块与汽车整合，这项计划聚焦在轻量化设计。例如，我们正在研究新一代的结晶硅电池，不仅发电效率超过23%，更采用创新的迭瓦型技术（shingling technology），将曲面太阳能板的可用面积最大化。」

近期该团队建立了新的里程碑，成功展示轻量（<6kg/m2）且具备高效能硅材电池的原型模块，电池也通过多项重要的太阳能与车用测试。2022年底前，他们更计划要打造出整合太阳能板的引擎盖解决方案。为了达成目标，与业界合作至关重要，目前他们已经携手迭瓦型太阳能电池技术与设备商意大利应用材料（Applied Materials Italy）。



 
图三 : 爱美科在2021欧洲太阳能光电展上发表两项VIPV模块的轻量化方案，包含以玻璃纤维强化材料的封装胶（GFRE）或背板（GFRB）取代正面或背面玻璃面板；这些方案与传统双玻璃（GG）或玻璃背板（GBS）方法相比，成功大幅减少50%的模块重量。（source：imec）

全球最大的太阳能产业盛会「欧盟太阳能光电展（EU PVSEC）」于2021年9月登场，爱美科在会上完整展出HighLite计划的研发细节，同时发表一篇关于开发与测试轻量型太阳能模块的论文，介绍两种使用玻璃纤维强化材料取代玻璃的制程方法，并将其对模块重量的影响进行比较。此外，爱美科未来也计划纳入更多VIPV技术的相关研究，以比较采用硅材电池与铜铟镓硒（CIGS）薄膜的差别。



 
图四 : 鲁汶大学Agoria学生团队于2021年世界太阳能车挑战赛的参赛原型车款BluePoint Atlas。（source：KU Leuven）

Loic Tous总结：「我们也与参加世界太阳能车挑战赛的比利时鲁汶大学团队建立长期合作关系，提供了像是建模与特征化等专业协助，今年甚至提供更多的技术支持，并开放他们使用我们位于比利时亨克EnergyVille Campus研究中心的设备。」

运用这项优势，鲁汶大学的参赛队伍使用了爱美科最新的双膜压膜机来制造BluePoint Atlas赛车的太阳能模块。此次他们没有选配太空应用的高效能电池，虽然这些电池效能高达30%，但单价约为100欧元，取而代之的是使用的高阶硅材电池，发电效率落在23%~25%，但每颗成本仅需1欧元。

因为这些电池效率较低，比赛规则也开放他们增加覆盖面积，快速达到成本与性能的平衡点。不过，这也代表着这些电池的外型设计必须更符合汽车的轮廓，而这正是爱美科的强项。在历时五天的赛程中，该团队获得总排名第二的成果。

（本文由爱美科授权提供；作者Loic Tous为爱美科太阳能电池与模块计划研究主持人；编译／吴雅婷）