台灣能源轉型進行式ing..... 【綠能科技聯合研發計畫】再生能源點亮創能、儲能應用大未來（05/18/2021 天下雜誌）

文: 台灣經濟研究院

創能技術開發著重提升綠色能源能量與降低成本

創能領域前瞻綠能技術開發配合發揮臺灣太陽光電與離岸風力等再生能源特色，透過提升電池模組效率趨動太陽光電成本下降，以及利用智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維，降低風場運維成本，以提升產業競爭力。

開發高效率、低成本、超輕量之太陽能電池技術

提升太陽能電池效率已刻不容緩，成功大學陳引幹教授團隊運用原子層沉積技術，沉積不同氧化物材料膜層於堆疊型太陽能電池中，以優化各膜層厚度、品質與材料純度等，進一步提升太陽能電池品質。中央大學許晉瑋教授與劉正毓教授團隊以軟性三五族太陽能電池收集室外光源，提供智慧模組(溫度感測器與藍芽)足夠電能回送電子訊號，朝向智慧模組「自我維持」前進。

在降低成本方面，大葉大學黃俊杰教授團隊利用非真空設備取代電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、用原子層沉積設備(ALD)以及銅漿料取代銀漿料達成低成本射極鈍化及背電極(PERC)太陽能電池開發。成功大學張桂豪副研究員與李文熙教授團隊創新製程置換太陽能鋁電極，以低成本空氣燒結銅電極應用於高效率雙面太陽能電池，將有效降低太陽能電池成本支出，增加產業獲利能力。

隨著太陽光電產能市場逐漸飽和，相關企業轉型尋求高效率與超輕量太陽能模組，以無人機應用為例，臺灣大學藍崇文教授團隊替無人機縫製出可以吸收太陽光轉成電力的衣裝，賦予偵查、通訊等任務。臺灣大學林清富教授團隊開發適合於固定翼無人機之輕量太陽能模組的大面積(30x150 cm2)太陽光模擬器，於宜蘭大學城南校區建置可供太陽能無人機測試起降與飛行場域。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能源為一種乾淨、能量密度高、環保零汙染、應用廣泛與取得容易的新能源，仿生電池即是透過模仿植物光合作用，為既能製氫又能發電的多功能太陽能系統。清華大學嚴大任教授團隊開發氫氣光電催化的催化劑由鉑金轉換為更具有普及性且兼具效能的材料，透過電漿子結構來強化二硫化鉬與日光光場交互作用，增加光能轉化為氫能的效率。中央大學王冠文教授團隊則建置高效穩定低成本之雙效產氫產電系統，利用其太陽能轉換再生電力進行光電催化分解水產氫並儲存，達到能源永續發展之概念。

智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維

面對臺灣附近海域高溫、高濕、多颱風與地震頻繁的特有地理環境，以及海上嚴苛條件，成功大學林大惠教授團隊開發離岸觀測塔風向定向系統，可降低量測成本、提高觀測準確性與量測效率，有助於離岸風場開發之海事工程量測。臺灣大學蔡進發教授團隊著重開發離岸風場運維大數據智慧平台，提供數據及開發各種量測技術，達到風機早期診治、早期預防功效，以期降低運維成本。

儲能技術開發著重高效能、高安全、具經濟性以支持各種儲能應用

隨著電力系統快速發展，電力儲存設備的布建應隨之增加其靈活度，以確保間歇性再生能源的儲存整合，促進電力供應端和儲存之間高效率的轉換。而儲能領域當中，又以先進二次電池與先進氫能為基礎核心發展項目。

開發高能量與高安全之固態電池技術

為進一步提升儲能電池安全與效率，全固態鋰電池已經成為研發主流。研究方向多針對電池正極、負極、以及電解質創新材料與設計，進一步提升能量密度需求與提高電池系統的總體能量。

正極材料方面，大同大學林正裕教授團隊開發具可量產層狀富鋰錳基正極材料合成技術，同時透過離子摻雜技術穩定其正極材料之晶體結構、改善材料的離子導電度，進而提升其電池穩定性及電容量。

負極材料方面，清華大學杜正恭教授團隊採用太陽能板製成切削的廢料矽，將此進行高值化做成鋰電池的負極材料，並用交聯反應開發矽負極黏結劑，以共沉澱法、自身氧化還原法進行正極材料開發參雜改質，提升鋰離子電池的循環壽命和快速充放電的能力。交通大學陳智教授團隊利用電鍍雙晶銅箔作為矽基負極材料的基板，配合富鎳層狀氧化物正極構成鋰電池，提升鋰電池的整體能量密度，提供各項裝置或載具更好的續航力。

電解質材料方面，明志科技大學楊純誠教授團隊主要開發鋰鑭鋯氧氧化物固態電解質，並將其應用在NCM811陰極材料上，最終組裝成鈕釦型及軟包型電池。成功大學方冠榮教授團隊開發高緻密性鈣鈦礦、橄欖石、石榴子石結構氧化物及硫化物電解質，以及具獨特性金屬、非金屬中介層，有效降低固態電解質/電極介面阻抗。臺灣科技大學王復民教授團隊研發固態電解質具環保水溶性，有低成本與綠色製程之特性，且能有效改善固體接觸的介面問題，可製備成高容量、輕量化與高性能二次電池。臺灣大學鄭如忠教授團隊深入探討高分子固態電解質，藉由合成改質方式可提供具彈性的高分子，進一步利用後調整加入鋰鹽的種類及添加劑，使研發的高分子固態電解質更符合商用規格。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能可作為重要儲能技術研發之原因，乃因其最終可實踐潔淨能源，提供眾多行業(如化工、鋼鐵重工及長途運輸等行業)有效脫碳方法，降低碳排放量，改善空氣品質並加強能源安全。且相對其他儲能系統，氫能另一大優勢為其電轉氣儲能系統有儲存量大以及放電時間長的特性。

行政院原子能委員會核能研究所長久以來專注於氫能領域。張鈞量博士團隊開發大氣電漿噴塗製備金屬支撐型固態氧化物燃料電池之可量產技術驗證，可進行大面積(10╳10 cm2)金屬支撐型固態氧化物燃料電池片之生產；余慶聰副研究員團隊利用新型產氫技術結合二氧化碳捕獲技術，使用低成本觸媒生產95%以上的氫氣，省去複雜的純化處理，大幅降低氫氣製造門檻；李瑞益研究員團隊則是著重於開發固態氧化物燃料電池發電系統，可直接將燃料如氫氣、瓦斯或天然氣轉換為電力，並將餘熱回收再利用，具有高能源轉換效率。

燃料電池方面，中央大學李勝偉教授團隊開發中低溫操作的陶瓷電化學儲能電池，所使用的關鍵電解質材料可使操作溫度降到400-700℃區間，且開發關鍵電解質、氫氣電極與空氣電極材料性能與微結構設計，利用靜電紡絲技術製作空氣電極材料奈米纖維，並成功與電解質相互整合，可提升單電池性能14.1%。

儲存氫氣方面，清華大學陳燦耀副教授與曾繁根教授團隊選擇碳材料進行儲氫研究，以零模板水熱碳化法合成出奈米碳球，最後輔以奈米金屬修飾產生之氫溢流效應(Spillover Effect)，提升氫氣吸附效能。

製造氫氣方面，臺北科技大學鄭智成教授團隊致力研發低成本、高穩定度、高效率之中溫固態氧化物電解電池電極材料，另外開發新型氨氣裂解觸媒技術，大幅改善現有氨裂解觸媒反應速率過慢之缺點。中興大學楊錫杭教授團隊則開發非貴金屬觸媒應用於水電解觸媒，以降低裝置成本，並且研發陰離子交換膜和膜電極組，使效率能有效提升。臺灣大學謝宗霖教授團隊發展具突破性之太陽能電解水產氫技術，以低成本、易量產、高效率的鈣鈦礦─矽晶疊層太陽能電池進行電解水產氫，並達到具競爭力之太陽能轉氫能效率水準(10-15%)。而臺灣科技大學胡蒨傑教授研發適於氫氣分離的複合薄膜，藉由熱力學與動力學的基礎理論調控薄膜成膜機制，開發高孔隙度且結構穩定的基材膜，結合優異特性的基材膜及選擇層。

綠色能量持續擴散，協助臺灣繼續邁進成為「亞洲綠能發展中心」

科技部「綠能科技聯合研發計畫」藉由學研界前瞻創新研發能量，推動新能源及再生能源之科技創新，進一步擴大產學研界連結之效益，積極延續科研成果落實產業應用，以期為我國綠能產業布建機會，並協助政府達成能源轉型，且透過綠能科技發展躍身國際舞台。

完整內容請見：
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晶圓代工廠不願意大幅擴充，IC設計廠商只好自己買設備確保產能，雖然類似的案例不是沒有，像蘋果過去就會買設備給代工廠，但發生在IC設計產業，還真的挺有意思的。

【半導體設備市場發出「異常」信號】

近幾個月，半導體行業的熱點和主題一直是產能吃緊和漲價，已經非常成熟的IC設計+晶圓代工產業模式，分工明確，效率越來越高，這在客觀上也推升了產能吃緊程度。在這樣的產業背景下，近期出現了一系列十分吸引眼球的「新鮮」事件。

就在昨天，業界傳出消息，IC設計大廠聯發科為了鞏固電源管理IC產能，自掏腰包16.2億元新台幣採購了一批半導體設備，租給晶圓代工廠力積電搶產能。

由於5G需求大爆發，加上遠程辦公／教育需求持續旺盛，聯發科在2020上半年向力積電每月下單3000片12吋晶圓用於生產電源管理IC。進入下半年後，下單量快速拉昇到每月7000片，全年取得12吋電源管理IC用晶圓數量達到6萬片。即使如此，仍不能滿足客户訂單需求。基於此，預計到2021年，聯發科每月將從力積電獲得上萬片電源管理IC的12吋晶圓產能，全年取得電源管理IC晶圓數量將比2020年翻倍增長。

而聯發科的產能狀況只是整個市場的一個縮影，類似這樣的情況大量存在。

傳統上，只有晶圓代工廠、封測廠和IDM才會購買半導體設備用於自家的生產，而IC設計廠是無Fab模式，是不需要半導體設備這類重資產投資的，這也是當初產業由IDM分化為IC設計+晶圓代工模式的主要原因，即分工明確，提升了產業效率。

此次，聯發科採購半導體設備，在租給對應的晶圓代工廠的操作非常罕見。這也從一個側面反應出，當下晶圓代工產能吃緊狀況已經非常普遍，且程度很深，從而形成了巨量的市場空白。而量變必定引發質變，IC設計廠商權衡後，認為做出少有的購買半導體設備這一舉動，投入產出比依然為正，且後續帶來的收入非常可觀，只有如此，才會做出這樣的決定。可見，市場對產能的需求是多麼的大而強烈。

除了聯發科這一吸睛的操作之外，近期還有多種因產能吃緊而出現的不同尋常事件，如三星晶圓代工業務部針對旗下的8吋晶圓廠進行自動化擴建投資，以提高生產效率。

一般情況下，業界12吋晶圓產線為全自動化生產，也就是在無塵室中藉助架設在高處的運輸系統移動晶圓盒。不過，8吋晶圓盒仍由工作人員用搬運車運送。

據韓媒報道，三星已經在部分8吋晶圓廠的產線測試自動化運輸設備。這樣的自動化升級，需要投入大量的資金，據三星估計，如果要在所有8吋晶圓廠中導入自動化運輸設備，可能需要約870萬美元的附加投資。而且，這樣的投資也是有風險的，不能絕對保證取得預想的生產效果。

此外，由於產能越來越緊張，很多小型IC設計公司到處找產能而不得，即使是加價也拿不到，因此還上演過一些很是讓人心酸的悲情場面。

可見，無論是IC設計的代表聯發科，還是晶圓代工的代表企業三星，為了產能，都在不惜血本，甚至不約而同地改變了各自原有的經營模式。與此同時，規模較小的IC設計和晶圓代工廠則沒有那麼強大資金實力，能夠在這一大波機遇中分得的蛋糕就比較有限了，甚至有被「擠壓變形」的風險。

總體來看，這種產能嚴重吃緊的狀況，使得相關的IC設計廠商，晶圓代工廠，以及半導體設備廠這三方成為了最主要受益者。

晶圓代工催漲半導體設備

在IC設計廠商、晶圓代工廠和半導體設備廠這一鏈條上，晶圓代工廠與設備商直接產生聯繫，而晶圓代工廠的火爆，直接帶動着半導體設備市場的增長。據SEMI統計，今年9月，北美半導體設備製造商出貨金額達 27.5億美元，月增3.6%，年增40.3%，創今年新高，並創下連續12個月超過20億美元的佳績，還創下近 20 年來單月歷史新高。

SEMI 認為，2020年,隨着數據中心基礎建設和服務器存儲需求增加，加上疫情以及美中貿易戰加劇，供應鏈為預留安全庫存，帶動芯片需求提升，是帶動今年晶圓廠設備支出大幅增長的重要因素。

近期，台積電也針對資本支出做出展望，預計今年資本支出將貼近170 億美元，這也從一個側面反映出客户下單並未因疫情而減緩，需求相當強勁。

SEMI認為，這一波設備支出走強，佔晶圓製造設備銷售約一半的晶圓代工和邏輯製程支出貢獻最多，2020 年及 2021 年都維持個位數穩定增長；DRAM 和 NAND Flash 在2020 年支出將超過 2019 年，且在 2021 年增長幅度都將超過20%。

另外，晶圓廠設備包括晶圓加工、晶圓廠設施和光罩設備，預計 2020 年將增長 5%，受惠於內存支出復甦，以及先進製程與中國市場的大力投資，2021 年將大幅上升 13%。

按地區來看，台灣、中國與韓國都是 2020 年及 2021 年設備支出金額的領先市場，其中，台灣2020年設備支出在去年大增 68% 後，略微修正，預計 2021 年將回升，反彈幅度達10%。

由於台灣是全球範圍內晶圓代工業最發達的地區，這裏的半導體設備支出會明顯高於其它地區。而採購設備，本來都是晶圓代工廠做的，如今作為IC設計大廠的聯發科也加入這一採購大軍，無疑會進一步提升台灣在全球半導體設備市場的影響力。

IC設計廠商的重資產化

在過去的半個世紀，整個半導體行業一直是從單一的IDM向IC設計+晶圓代工這一分工合作方向發展，但最近幾年，特別是從2015年在全球掀起的半導體併購狂潮開始，整個產業似乎在從分散向整合方向演進。這其中，有相同業務模式公司之間的合併，也有不同業務模式公司的合併。與此同時，原本單一業務模式的廠商，也越來越多地在向複合業務模式方向發展。

典型代表就是台積電，該公司本來只做晶圓代工，但隨着市場地發展，進入本世紀第二個十年以後，台積電開始導入封裝測試業務，因為這樣可以進一步提升市場掌控力和話語權，提升產品上市速度。

另外，就是有越來越多的IC設計廠商涉足晶片生產過程，特別是封裝測試領域，相比於晶圓代工，IC設計廠商進入封測業務的投入相對少，門檻也會低一些。它們這樣做的主要目的同樣是提升市場掌控力和話語權，提升產品上市速度。最具代表性的就是CMOS圖像傳感器（CIS）領域，由於CIS在2019年出現了井噴，嚴重供不應求，促使一些CIS芯片設計廠商開始投入大量資金建廠、購置封測設備，從原來的fabless業務模式，逐步轉型為fab-lite。

此次，在產能嚴重吃緊的產業大環境下，聯發科直接購買半導體設備租給相應的晶圓代工廠，似乎在從另一個角度詮釋着IC設計業的變遷態勢，以後很可能會出現更多類似的現象。

最近幾個月，聯發科曝光率一直很高，這與華為有着很大的關係。由於受到貿易限制，華為原有的美國晶片元器件供應鏈受阻，特別是手機處理器、電源管理和無線連接晶片，而這些正是聯發科的強項，因此，華為向其發出了大量訂單，這在很大程度上導致了其產品的供不應求。

另外，還有消息稱，聯發科有希望拿下蘋果訂單，最有機會打進的是iPad或是iPhone 產品線，如果屬實的話，這將會進一步提升其2021年業績。或許，這也是該公司不惜花大錢購買設備租給晶圓代工廠，為其保證產能的一個重要原因吧。總之，如果能同時擁有華為和蘋果這兩大客户的話，前期多進行投資，是非常值得的。

嚐鮮

為了尋求產能支持，有些電源管理IC和MOSFET廠商正在考慮從8吋晶圓升級到12吋晶圓生產，不過，這種想法的可操作性不強，主要原因在於，用12吋晶圓生產MOSFET在技術層面沒有問題，但就目前的產業情況來看，成本難以接受。而起初的參與者，都屬於「嚐鮮」、吃螃蟹的。

此次，聯發科購買的半導體設備將租給力積電，主要是為了保證其電源管理IC產能。這裏就涉及到了「嚐鮮」的話題。具體來講，就是由於電源管理IC大多采用8吋晶圓製造，鮮少廠商使用12吋晶圓生產，因為12吋晶圓大多提供給邏輯製程使用，而力積電本來就具備DRAM技術，因此擁有12吋鋁製程產能，較適合量產電源管理IC技術，而台積電、聯電在12吋生產大多以銅製程，相比之下不適合量產電源管理IC，因此，聯發科才會罕見採購設備回租給力積電，以鞏固其未來電源管理IC產能。

聯發科似乎有「嚐鮮」、開創新業務和模式的傳統。早在20年前，當時的聯發科在業內還是岌岌無名的晚輩，當時，該公司憑藉「一站式」的手機方案，即為手機客户提供主晶片和參考設計，從而解決了手機80%的設計工作，客户只需要完成後續的20%工作就可以了。一舉統治了山寨機市場，並由此打下了立足產業的基礎，才有機會發展壯大到今天。

目前，ASIC設計服務正在興起，聯發科的ASIC設計服務在業內也是一絕，也是較早投入發展該業務的半導體廠商。目前，在提供ASIC設計服務的企業裏，聯發科是數一數二的。不久前，有消息稱，當下在處理器市場熱得發燙的AMD將ASIC設計服務訂單交給了聯發科，也從側面展現出了其ASIC設計實力。

如今，聯發科又開始涉足半導體設備業務。可以説，該公司一直走在不斷嚐鮮的路上。