第四章 產業介紹
第一節 太陽能光電技術介紹
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第四章 產業介紹
第一節 太陽能光電技術介紹
一、何謂太陽能
太陽是距離地球最近的恆星，也是太陽系的中心天體，質量佔太陽系總質 量的99.865%，面積是地球的 109 倍大，體積和質量則分別是地球的30萬倍和 33萬倍。是一個由熾熱氣體所構成的巨大球體，主要由80%的氫和9%的氦組 成。當太陽光照射到地球時，一部分光線被反射或散射，一部分光線被吸收，
只有約70%的光線能透過大氣層，以直射光或散射光到達地球表面。到達地球 表面的太陽光一部分被表面物體所吸收，另外一部分又被反射回大氣層。一般 所稱的太陽能即為太陽光輻射的能量。能量的轉換方式則主要分為光化學轉 化、太陽能光熱轉化和太陽能光電轉換三種方式。本研究研究產業即為第三者，
太陽能光電轉換，指利用光電轉換元件將太陽能轉化成電能。如應用太陽能電 池於野外工作站的供電，邊遠地區的生活用電和手錶、計算器、太陽能汽車和 天文儀器設備的電源，以及太陽能電站等領域。
太陽能的優點在於，第一，是地球可利用的最豐富能源之一；第二，太陽 能四處都有，只需建造與維修費用，省去能源的運輸成本；第三，是一種清潔 能源，不會對環境造成污染；第四，在溫室效益持續嚴重的今日，使用太陽能 不會對地球造成額外的熱載荷。
二、太陽能光電發展歷程
早在1839年，一位法國人便發現了光電現象，但在38年後，才研發出第一 片硒材質的太陽能電池，轉換效率不到百分之一，硒太陽能電池因此沒有受到 重視與使用。直到1954年，美國貝爾實驗室（Bell Labs）以矽材質成功研發出 太陽能電池，才開始了太陽能光電產業的發展。初期，貝爾實驗室的矽電池轉 換效率只有4.5%，用於人造衛星及太空船所需的電力。至1970年代，太陽能電 池才被廣泛應用在各種領域，如道路交通照明、通訊設備、消費性電子產品等 方面。電力公司也開始以蓄電池儲蓄電力作為獨立型發電系統，以供偏遠地區 用電。因為石油危機的爆發，使可再生能源受到全球重視，因而，除了單/多晶
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矽電池，陸續出現非晶矽、碲化鎘等薄膜太陽能電池。1990年，與電力公司併 聯之光電發電系統（Grid-connected Photovoltaic System）技術逐漸成熟，當太 陽能電池產生之多餘電力時可回送到電力公司，而發電不足時則由電力公司供 應。1992年起，歐洲及日本等國採取補助獎勵措施，積極推廣太陽能發電系統。
1995年之後，太陽能電池以30%的年增長率快速發展。2000年，發展出將太陽 光 電 系 統 結 合 建 築 設 計 的 節 能 建 材 產 品 （ BIPV ， Building Integrated Photovoltaic、CIPV，Construction Integrated Photovoltaic），直接取代傳統建物 的屋頂、窗戶及遮陽棚等。
三、太陽能發電原理
太陽能電池的發電能源來自光的波長。當太陽光直接照射在具有 P-N Junction的光電半導體薄片時，它會吸收1.2μm 波長的太陽光，產生光電效應
（Photovoltaic Effect）。此光電半導體薄片是將高純度的半導體材料加入硼，形 成P型半導體，並加入磷，形成N型半導體。P-N兩型半導體相結合後，一旦太 陽光入射，就會產生電子（負極）與電洞（正極），藉由將電子與電洞的分離，
形成電壓差，再經由導線傳輸至負載，如此便能將太陽光能轉變成直流電能，
產生輸出電壓及電流。由於一般家庭用電或工業用電都為交流電，所以使用太 陽能發電時，最後一步還要透過直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電。下圖 4-1為太陽能電池發電的過程。
圖 4-1 太陽能電池發電的過程
資料來源：太陽電池技術專利的分析與探究，2008 四、產業價值鏈
太陽能光電產業的價值鏈可由電池種類或原料分類探討之。目前普遍以結 晶矽電池和薄膜電池兩項作為分類基礎。下圖 4-2 為太陽能光電產業價值鏈現 況。
平常的狀態
太陽能半導體晶片
照到太陽的狀態
太陽能半導體晶片
開始發電的狀態
太陽能半導體晶片
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圖 4-2 太陽能光電產業價值鏈 資料來源：本研究整理
目前，市場仍以結晶矽電池佔多數，2008 年統計顯示，矽晶太陽能電池佔 市場 87.5%，另外的 12.5%方為薄膜電池與其他。以下，將針對太陽能光電產 業各價值鏈階段作介紹。
1.上游
(1) 矽原料（Polysilicon Material）：
矽原料是太陽能光電產業價值鏈的最上游，亦是整個價值鏈上資本與技術 密集度、建廠所需時間、建廠所需面積最大的一個階段，平均 1,000 噸產能需 投入 1 億美元之固定成本，至少需要二至四年方能釋出產能。矽原料之取得，
為此產業能否加速發展之瓶頸與關鍵因素，尤其，對於太陽電池專業廠而言，
如何即時爭取上游原料，成為太陽能光電廠商發展之重要關鍵。矽原料是作結 晶矽電池之主要原料，是從二氧化矽經過二度提純後的產品，首先，將二氧化 矽置於高溫電弧爐進行還原，成為純 98%之冶金級矽材（Mg-Si）後，再進一 步以西門子法或流體化床精鍊成為多晶矽，作為高純度之多晶矽材。
矽原料成本佔整個太陽能光電產業價值鏈的 28%，屬於寡佔的廠商型態，
全球老字號多晶矽原料廠包括美國 Hemlock、德國 Wacker、挪威 REC、日本德 山（Tokuyama）、美國 MEMC、日本三菱（Mitsubishi） 及日本住友（Sumitomo）
等。目前，建廠成本高、時間長。
矽原料 矽晶 圓/片
結晶矽 電池
電池 模組
系統 設備
上游 中游 下游
製造專用設備
材料、組件、系統檢驗設備 矽鉀烷氣體/半導體原料 薄膜電池與模組
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(2) 矽晶圓/片（Wafer）
矽晶圓廠商取得上游之多晶矽原料後，經由長晶爐熔煉、拉晶/長晶成矽晶 錠，並經過精密切割與拋光而產出矽晶片。因為晶體結構的差異，矽晶片可分 為「單晶矽矽片」與「多晶矽矽片」兩類。下圖 4-3 為矽晶圓製造流程。
圖 4-3 矽晶圓製造流程 資料來源：達能科技網站 2. 中游
(1)太陽能電池（Solar Cell）
太陽能電池為一種半導體元件，分為結晶矽（Wafer Base）電池與薄膜（Ｔ hin Film Base）電池兩種。若以原料區分，則結晶矽電池中包含單晶矽、多晶 矽電池以即以三五族化合物所製成的高聚光型太陽能電池。薄膜電池則可再分 為矽薄膜、化合物薄膜、有機半導體薄膜電池三大種類。下圖 4-4 為太陽能電 池的分類：
圖 4-4 太陽能電池分類 長晶
切片 洗淨
檢驗
加工 開方
晶圓
化合物類 砷化鎵 矽晶類
單晶矽 多晶矽
薄膜
有機與其他 矽薄膜類
非晶矽 微晶矽
化合物薄膜 碲化鎘 銅銦鎵硒 太陽能電池
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在上述太陽能電池種類中，若以發展年代分類，可將太陽能電池分成三代：
第一代為矽晶電池，即單晶矽與多晶矽兩種，商業應用歷史最悠久，且被廣 泛應用於家庭與消費性商品。單晶矽電池又稱單結晶、晶圓型電池。優點是 發電量佳，電池轉換率約 17%~21%、模組轉換率約 16~20% 。缺點是製程 貴，且礙於晶圓型式，多半截圓型或圓弧造型，舖設時無法達到面積最大利 用 及吸收。多 晶矽電池 雖然 發 電量 略 低於單晶矽 電池（ 電池轉換率約 16%~20%、模組約 15%~19%），然而其優點是製程較便宜，截成正方形，
舖設時可達到最大面積利用及吸收。此外，多晶矽其晶狀的分佈，可為建築 物外觀加分。
第二代為薄膜太陽能電池，包括矽薄膜化合物半導體及有機電池等。矽薄膜 電池中的非晶矽太陽電池，為各類薄膜太陽電池中發展時間最長。矽薄膜太 陽能電池所使用的矽原料量，約為結晶矽太陽能電池的 1/100 左右，然而，
由於非晶矽薄膜電池在長期的強光照射下，會產生光劣化現象，使轉換效率 降低，模組轉換率約 6%~10%，因此，一直難以擴大普及。在化合物半導體 部分，則包括銅銦鎵硒（CIGS）半導體電池與碲化鎘（CdTe）半導體電池。
下表 4-1 為結晶矽電池與薄膜電池的比較。
表 4-1 結晶矽電池與薄膜電池比較
項目 結晶矽 薄膜
成本 模組每瓦約 3.5~4 美元 模組每瓦 2 美元以下 碳足跡 高耗能的多晶矽生產時製
造較多的二氧化碳
由於不使用多晶矽，理論上污 染較少
初期投資 低，30MW 建廠成本約 2~3 億元新台幣
高，30MW 建廠成本約結晶矽 廠的 5~10 倍
目前材料成本 高 低
有毒物處理 無 CdTe 半導體電池
轉換效率 12~17% 矽 薄 膜 約 5~8% 、 CIGS 及 CdTe 約達 10%
產品製造原理 類似半導體製程 類似 TFT-LCD 製程 能源消耗 高純度矽晶製程需要 1,000
℃以上的高溫。
濺鍍或蒸鍍時的成膜溫度在 600℃以下
空間需求 小 大
資料來源：新太陽鍊金術，2009
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第三代為砷化鎵（GaAs）三五族太陽能電池，又稱高聚光太陽能電池。因 為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性，因此，最初是被運用於太空中 的發電用途。過去因為價格過於高昂，故未被普及使用。目前，三接面砷 化鎵電池之轉換效率可高達 40%，系統端可達約 30%，製造成本亦大幅降 低，成為近年來一個新興的選擇。高聚光太陽能電池的特色在於其為三接 面太陽能電池，由三個不同材料的單接面二極體串接而成，各接面可吸收 太陽光譜中不同的波段，更有效率地將光能轉換為電能。此種電池最重要 的相關設備為追日儀器，因為太陽每小時以 15 度角由東向西移動，為了 要將太陽光完整投射與轉換，就必須使用追日器材，將光學系統永遠垂直 對準太陽的方向。
目前太陽能光電產業鏈在資本支出影響下，愈是上游的廠商家數愈少；在 成本結構的部分，從上游的矽原料一直到模組大約佔總成本 66%，而安裝費及 支架、配電盤、電錶等零組件也約佔 22%，電力調節器約 12%比重。
（2）模組（PV Module）
模組的製程主要分三道工序，首先為基板連結，將模組的主原料－太陽能
模組的製程主要分三道工序，首先為基板連結，將模組的主原料－太陽能