太陽能模組於建築上之整合與應用

前言

BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 意如其名，主要是指在建築外圍結構的表面安裝太陽能光電板提供電力，同時作為建築結構的功能部分，普遍應用在如大樓帷幕牆或外牆、停車場的遮陽棚、大樓天井、斜頂式屋頂建築之屋瓦、大型建築物屋頂等場所，同時兼具美感與節能環保實用性。

BIPV太陽能設施也可採取立體式設施，如同風能設施，可保護許多環境和生態。太陽能電池元件還可以安裝在建築物上，稱為光電一體化建築，這樣太陽能電池板不僅可以在有陽光的時候產生電力，還能有隔熱的作用，可以有效降低建物內部的溫度，降低建築能耗。

應用與製作方式

建築整合太陽能 (BIPV) 是使用太陽能模組取代傳統建築材的一種應用方式。目前BIPV主要應用範圍為大樓帷幕、外牆、遮陽棚、大樓天井、斜頂式屋等。在實際應用面上，最常見到的應用方式為利用模組化的太陽能板拼接於屋頂外裝或是鑲嵌設計進外牆;配合建築設計兼作擋雨板和裝飾、遮陽。在 圖一中可以清楚的表示出BIPV在建築上的應用型式。

圖一、BIPV 主要應用的建築型式

在地狹人稠與土地價格昂貴的地區，BIPV是解決土地設置成本過高與整合發電設備與建物外觀的最佳解決方案，相對於現有裝設太陽能電池模組的方法，其所帶來的優點有：可有效利用建築物的外表大面積、可替代建築物的外表包覆材料 、代替屋頂、牆面、窗戶之建材、可遮陽、降低建築物外表溫度、兼具建材及發電之功能。但BIPV也有其存在的缺點，如BIPV的日照時數與轉換效率，會因為受限於建築物外牆或頂樓板的位置及方向而有所降低;建物部分外觀的形狀與顏色會受到BIPV原先形狀與顏色的限制等。

對建築物而言，光線對於室內照明有非常重要的影響。BIPV在模組設計端須有較好的設計與安排，如矽晶電池的排列與薄膜刮線閒距與光線可通過之孔距都需考量。市面上大部分薄膜透光模組產品以穿透率約為10%為主電池片，且其轉換效率也幾乎低於10% 以下。至於矽晶透光模組則可依wafer排列方式來調整其穿透率，如 圖二為不同形式之BIPV模型。

圖二、不同型式BIPV 模組

薄膜透光模組可利用下列三種方式製作:

雷射切割

利用雷射的方式將薄膜移除，使光線可以經由移除線透過。目前大部分薄膜模組皆使用雷射切割方式製作透光模組，目前此技術成熟並可用於大量量產。TSMC Solar未來若要開發透光模組時，亦可採用此方式製作。

陰影格柵(Shading mask)

利用類似光柵的方式，在製程中將需要透光的區域遮住，最後再將格柵移除使光線透入。此方式目前於實驗階段無法使用於大量量產。

光穿透薄膜製程

遮光反射層電極改成透明電極。這方法目前應用於量產上的只有a-Si太陽能電池模組，較不適用於高溫硒化的CIGS製程。CIGS的應用目前僅於實驗研發階段，主要原因為CIGS薄膜的光吸收係數高，降低厚度至0.3~0.5um也僅能透過部分紅光，更低的厚度將造成極低的效率(<3%)。

檢測標準

目前國際標準組織尚未對BIPV發展出完整的測試標準，現階段普遍採取的方式為須符合原先PV模組之性能測試及安全測試外，還必須接受各地區不同的建築法規對於建材的規範。目前有在發展BIPV標準草案的地區包括歐洲、美國、日本、大陸、台灣等。而各國所檢驗之項目基本上都會涵蓋下列檢測項目:

• 風壓測試 (Wind load)
• 機械負荷 (Mechanical load)
• 水密性測試 (Water tightness)
• 防火測試 (Fire test)
• 冷凝測試 (Condensation)

在歐洲及美國，因為其PV發展較為完備，所定義出的檢測也較完整。可參考表一 歐洲BIPV/BAPV測試標準及表二 美國BIPV/BAPV測試標準(AC365)，歐美在制定此檢驗標準時，是同時PV模組及建材的檢驗規範。

亞洲國家，如日本，大陸及台灣，則是以建築結構性測試為主。

在日本一般以JIS為BIPV與BAPV產品建築結構性測試之重要指標：

風雨測試

依據JIS A1513建築窗與門通則性測試。

風壓測試

依據JIS A1515建築的耐風壓試驗方法。

氣密性測試

依據JIS A1516建築氣密試驗方法。

水密性試驟

依據JIS A1517建築產品水密性試驗。

目前市面上的太陽能電池模組使用期限一般都需要達到25年，由於BIPV模組已經與建材結合一起，且BIPV模組大多屬於客製型產品，須配合建物設計製造不同尺寸及安裝機構，因此模組廠的研發設計及生產能力都十分重要。BIPV發電系統的主要零組件包括太陽能模組及模板（Photovoltaic Module & Panel）、接線盒 （Junction Box）、變流器及電源轉換器...等。這些產品由於長期在戶外使用並用於建築整合之安裝上，因此對BIPV太陽能產品檢測相對於重要。

BIPV產業發展現況與展望

BIPV的製造與使用過程中結合了原先的太陽能產業與建築、建材產業。而BIPV之太陽能模組，從上游到下游段的製造，不管是矽晶或是薄膜等製程，則須符合太陽能與建築相關產品檢測規範。此外台灣整體BIPV產業的發展現況與趨勢則有以下幾個特點：

• 廠商集中於單晶矽太陽能電池生產，薄膜太陽能電池則較少。目前國內的太陽能產業中，生產單晶矽太陽能電池產品的廠商有十二家以上之多，且後續有意投資者仍眾。
• 太陽光電的產品應用方向朝建材轉變中。由於單晶矽太陽能電池不透明的特性，使得原先使用單晶矽太陽能電池製造的BIPV產品，不受建築設計者的喜愛，以致於多運用在雨遮、遮光罩、平面屋頂等非建築主要造型處。 大樓的帷幕牆由於強調景觀視覺，透視度是相當重要的因素，薄膜太陽光電電池所做的BIPV產品正好具有這項特色，也使得許多業者相當看好未來太陽能電池將會藉由薄膜產品應用面的擴大而大幅增加產品的用量。
• 薄膜產品普及程度仍需視轉換率提升與產品降價的速度決定。薄膜太陽能電池目前最大的競爭對手仍是單晶矽的太陽能電池，但在發電的轉換效率上卻相差一倍(7%對15%)，這相當於薄膜太陽能電池需用較大的面積才能發出與單晶矽電池相同的電量，相對所使用的結構支撐材料、施做人工成本等均增加一倍，在成本優先的考量下，轉換效率的提升與薄膜產品降價的速度決定了其產品普及的時間點。