太陽能－快速成長的薄膜太陽能電池＠陋室－不問青紅皂白

發表日期：10/13/2008

◆重點摘要

薄膜太陽能電池不受限於以矽為原料：目前傳統太陽能電池是以矽為原料的矽晶太陽能電池，但在原料多晶矽價格高漲下，用矽較少的矽薄膜電池以及完全不需用矽而使用其他材料的碲化鎘、銅銦硒/銅銦鎵硒（CIS/CIGS）、三五族化合物（例如砷化鎵）及染料敏化電池等，為太陽能電池的另一發展趨勢，其中矽薄膜太陽能電池為目前主流技術。

薄膜太陽能電池成長性高，BIPV 為其重要應用：預估2008年產量可達800.6MW，年成長率 68.19%，2009 年可再成長59.61% ，在整體太陽能電池產量的市佔率可突破1/5達22.5%，在市佔率不斷提高下，顯見薄膜太能電池的成長力道強勁。由於薄膜太陽能電池的質輕、可撓、可透光的特性可作廣泛的應用，其中與建材結合，成為建材一體型太陽能電池（BIPV）將是薄膜太陽能的最大利基應用。預估2015年薄膜太陽能電池的最大應用將是 BIPV，佔整體薄膜太陽能電池應用的 45%。

國內業者切入以矽薄膜技術為主：全球前十大薄膜廠商所使用的技術中，除了美國 First Solar 以碲化鎘，德國 Wurth Solar以 CIGS 為主之外，其餘8 家廠商均以矽薄膜技術為主，而國內廠商亦有相同情況，其中綠能、聯相、宇通、旭能、奇美能源、富陽、大億光能以發展矽薄膜技術為主，另有永大投入染料敏化電池技術，川飛、亞化、新能光電投入銅銦鎵硒太陽能電池技術。

二、薄膜太陽能電池簡介

◆薄膜太陽能電池的應用材料不受限於矽

太陽能電池依其使用的材料種類可分為以矽為材料與非矽材料兩大類，而矽晶材料電池依據其晶格排列方式又可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽三種。其中單晶與多晶屬於矽晶圓式太陽能電池，而非晶矽則應用於薄膜太陽能電池。非矽材料的部分則可分為化合物電池、有機、無機材料均可應用於薄膜太陽能電池。

目前展望較佳的太陽能薄膜電池則以矽薄膜電池、碲化鎘、銅銦硒/銅銦鎵硒（CIS/CIGS）、三五族化合物（例如砷化鎵）及染料敏化電池。其中矽薄膜太陽能電池為目前主流技術，而碲化鎘太陽能電池在美國 First Solar的成功銷售下，2007年成為出貨量最大的薄膜太陽能電池，CIGS太陽能電池雖有轉換效高的優點，但由於量產經驗不足，目前市佔率仍低。另外三五族的砷化鎵太陽能電池轉換效率雖高，但成本高，目前以應用於航太領域為主，染料敏化電池則尚未大量生產。

◆矽薄膜太陽能電池

非晶矽（amorphous silicon）薄膜太陽能電池已發展超過 30 年，最早商品化的矽薄膜太陽能電池使用在計算機、手錶等產品上，矽薄膜太陽能電池中矽的結晶排列雜亂，相對結晶矽太陽能電池中的矽則排列較為規則。矽薄膜太陽能的製程不同於矽晶太陽能電池需經過長晶、切晶、製成 Cell 與模組化等程序，矽薄膜太陽能電池有六道製程，首先在玻璃基板上形成一層透明導電氧化物薄膜（TCO），其次以雷射將此薄膜圖形化；第三步則是以電漿式化學氣相沈積法（Plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）在 TCO上進行矽薄膜的連續鍍膜，接著再以雷射將矽薄膜圖形化，然後再以物理氣相沈積法（Physical Vapor Deposition，PVD）在矽薄膜上進行金屬鍍薄，最後再以雷射把金屬薄膜圖形化，完成之後，各個電池間就可藉著金屬與TCO薄膜相連接，在玻璃上形成模組且進行封裝後完成薄膜太陽能電池模組。

以往矽薄膜太陽能電池為單層非晶矽技術，由於非晶矽具有較佳的光吸收能力，因此僅需較薄的吸收層，但紅光及紅外光等能量較小光源則無法吸收而限了其轉換效率，轉換效率約 6~7%，另外矽薄膜由於其結構的影響而有光劣化的問題，在使用後的短時間內效率會衰退 15~35%。為提升轉換效率，目前太陽能廠商多以結合微晶矽的堆疊式（a-Si/uc-Si ，Tandem）技術製造，轉換效率可達8~10%，近期甚至已有三層結構（triple structure）的產品，而基板材料也從玻璃增加了可撓式金屬基板。

◆碲化鎘（CdTe）太陽能電池

碲化鎘（Cadmium Telluride，CdTe）薄膜太陽能電池為市場上另一已實際量產的薄膜太陽能電池，目前由美國 First Solar 一家獨大的局面，電池結構與非晶矽太陽能電池相似，只是以碲化鎘代替矽。碲化鎘太陽能電池的製程一開始與矽薄膜太陽能相似，先在玻璃基板上形成 TCO，再利用成本較低的技術如 CSS法或VTD等方法形成 CdS 層與CdTe 層，並塗佈一層 CdCl2 達到活性化效果。CdTe太陽能電池雖有生產成本底的優勢，但因對鎘所帶來的重金屬污染有所疑慮，因此目前全球生產的廠商僅美國 First Solar 與德國 ANTEC Solar 等少數廠商，且目前均使用硬式的玻璃基板，尚未有可撓式產品上世。

◆銅銦硒/銅銦鎵硒（CIS/CIGS）太陽能電池

銅銦鎵硒（Copper Indium Gallium Diselenide，CIGS）薄膜太陽能電池在早期以銅、銦、硒三種元素組成為主，形成銅銦硒太陽能電池（CuInSe2，CIS），後續才加入鎵或硫而製成轉換效率較佳的銅銦鎵硒（CuInGaSe2，CIGS）太陽能電池，目前實驗室效率可達19.2%%，而大面積模組的效率最高可約可達 13%。銅銦鎵硒太陽能電池的最大問題在於銦的礦藏有限，加上硫化硒與鎘的毒性與這四種材料不易精密控制，使得 CIGS 太陽能電池未能大量生產。在結構上，CIGS太陽能電池結構與其他薄膜太陽能電池最大的不同處在於其玻璃基板是在最底層，非在受光面，如圖三。

◆染料敏化太陽能電池（DSSC）

染料敏化電池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC）由於結構簡單，具有材料成本低及製程簡單的優點，而且還可以用印刷方式進行大面積的大量生產。由於所使用的是有機染料，因此 DSSC 另有有機染料太陽能電池的名稱。染料敏化電池的結構由兩片玻璃基板、兩片 TCO 與電極，而與其他薄膜太陽能電池最大的不同在於其中間使用液態的電解液、再加入光觸媒與染料，其中電極材料以鉑為主，電解液則以碘離子（I3-/I-）為主，另外以奈米二氧化鈦（TiO2）做為光觸媒，利用染料吸收太陽光，達成太陽能發電。目前為了增加實用性，已開始發展由可撓式基板取代玻璃基板，以膠態電解液甚至是固態電解液取代液態電解液。

三、全球薄膜太陽能電池發展現況

◆薄膜太陽能電池成長性佳

薄膜太陽能電池隨著太陽能電池需求急增而快速成長，加上矽晶太陽能電池

所需之料源（多晶矽）因缺貨而價格大漲下，多家廠商投入用矽量較少或完全不需使用矽料的薄膜太陽能電池的研發生產。由於薄膜太陽能電池不受限於使用矽原料且應用範圍廣，因此成長性較傳統矽晶太陽能電池佳。

以 IEK 的資料顯示 2007 年薄膜太陽能電池的產量為 476MW，佔整體太陽能電池產量的 17%，2008 年產量可達 800.6MW，年成長率 68.19%，2009年可再成長59.61%，在整體太陽能電池產量的市佔率可突破 1/5 達22.5%，在市佔率不斷提高下，顯見薄膜太能電池的成長力道強勁。

◆薄膜太陽能電池的優點

薄膜太陽能電池由於厚度約僅一般矽晶太陽能電池的1/100~1/600（圖六），因此重量較輕，應用於建築物上時，可減少建築物的壓力，加上其可封裝於可撓式基板，因此可製成輕薄的產品應用於可攜式物品或與其他產品整合。另外由於材料需求少且可連續製程製造，因此原料成本較傳統矽晶太陽能電池低。薄膜太陽能電池由於有較低的溫度係數，轉換效率較不受氣溫影響，且受照度影響較小，在低照度下仍可維持較佳的轉換效率。另外薄膜太陽能電池可製成可透光模組，整合應用在建築的玻璃上。

◆建材一體應用為薄膜太陽能電池的重要應用

一般矽晶太陽能電池可應用於市電併網、離網應用、特殊應用，其中市電併網型應用為目前主流，主要是因為各國政府補助政策以市電併網型為主。薄膜太陽能電池亦可作為以上應用，且相較於矽晶太陽能電池只能使用硬式玻璃基板，薄膜太陽能電池的質輕、可撓、可透光的特性可作廣泛的應用，其中與建材結合，成為建材一體型太陽能電池（Building-integrated photovoltaic，BIPV）將是薄膜太陽能的最大利基應用。不同類型的薄膜太陽能電池有其最適用之應用市場，但其本均以商業用或居住用併網型為主，而以 IEK 的研究數據顯示，2015 年薄膜太陽能電池的最大應用將是 BIPV，產值可達 32.37 億美元，佔整體薄膜太陽能電池應用的 45%，將應用在併網型的居住、商業及工業建築上。

◆薄膜太陽能電池的能源償付期短

除了用矽料較少或完全不需用矽之外，薄膜太陽能電池的另一優勢為能源償付期間（Energy Pay-Back Time）較傳統矽晶太陽能電池短，相較於矽晶太陽能電池在生產多晶矽與矽晶圓時的高耗電，能源償付期間需2.2 年~2.7年，非晶矽太陽能電池的能源償付期間僅需1.1年；日本薄膜太陽能電池大廠 Kaneka公的統計為1.6 年（圖八），而碲化鎘太陽能電池1年，而銅銦鎵硒太陽能電池的能源償付期間更短，僅需 0.9年（表二）。

◆薄膜太陽能電池的最大成本來自於設備支出

薄膜太陽能電池雖具有原料成本的優勢，但在實際建置時，由於薄膜沈積製程設備昂貴，因此整體薄膜電池訯備支出約矽晶圓太陽能電池設備的二~四倍。以 IEK 的研究數據，建置 25MW 的廠，矽薄膜技術生產線需投資約 15 億元，而矽晶圓太陽能電池則投資約3~5 億元。若以 100MW 的電池模組裝置成本估計，薄膜較矽晶電池的設備成本多出約一~二倍（表三）。若是 32MW 堆疊式矽薄膜太陽能電池中電池設備即佔了成本結構中的29%，若是 15W 的 CIGS 薄膜模組，設備即佔了32%，顯示薄膜太陽能電池設備為其最大成本支出。

◆矽薄膜技術為目前薄膜技術主流

統計 2007 年全球前十大薄膜太陽能電池廠出貨量，美國 First Solar 以 200MW的產量排名第一，相較於出貨量第二大的 United Solar 出貨量僅 48MW，First Solar遠超過其他薄膜太陽能電池廠，且為唯一以薄膜技術可排名至全球前十大太陽能電池廠的公司（包含矽晶圓、薄膜）。而前十大薄膜廠商所使用的技術中，除了美國 First Solar以碲化鎘，德國 Wurth Solar 以 CIGS 為主之外，其餘 8家廠商均以矽薄膜技術為主，2007 年矽薄膜佔薄膜比重約 63%，顯見薄膜技術仍為薄膜技術的主流。

◆國內業者積極切入

由於矽薄膜太陽能電池的技術為各項薄膜技術中較為成熟者，加上相關設備廠可提供 Turnkey的服務，因此台灣廠商切入薄膜領域以矽薄膜太陽能電池為主。國內第一家投入薄膜太陽能電池的為光華開發投資的大豐能源（1988年成立），而上市（櫃）公司中則有綠能、益通、聯電、中環等相繼投入此一領域。

國內業者中綠能使用美國應材的設備，並採 8.5代面板規格；聯相、大億光能則採用日商 ULVAC 的設備；宇通光能與富光電陽則採用瑞士廠商Oerlikon的設備。各種薄膜太陽能電池技術中，綠能、聯相、宇通、旭能、奇美能源、富陽、大億光能以矽薄膜技術為主，另有永大投入染料敏化電池技術，川飛、亞化、新能光電投入銅銦鎵硒太陽能電池技術。