太陽電池之種類

太陽電池依使用材料之不同可分類為：矽、化合物半導體、半導體接合物薄膜型 (Tandem-Thin film)、有機半導體、高分子聚合物(Polymer)等技術形態，其光電轉換效率 因材質不同而有所差異，目前產品發展概況參考表14。其中，以 GaAs 轉換效率最高，

不過成本昂貴；而一般非晶矽太陽光電板效率約6 ~8％ ，雖然轉換效率相對較差，但 價格較便宜，因而亦獲得市場重視。另外，以Polymer、有機半導體等為基材之軟性太 陽電池由於具有輕、薄、可撓性特色，不僅可作為可攜式電源，且適於大面積光電板的 製作；近年在導入奈米技術以提升光電轉換效率之潮流下，亦吸引許多歐、美、日廠商 相繼投入研發。

表 14：2004 全球 PV 產量 – 按生產技術分類

技術類型 美國 日本 歐洲 其他地區 全球總計 市佔率%

單晶平板 85 111 115.8 29.6 341.4 28.6 多晶矽 14.2 393.5 158 104 669.2 55.99 非晶矽(A-Si) 14 17.5 8.6 7 47.1 3.94 結晶矽concentrators 0.5 / / / 0.5 0.04 帶狀矽(Ribbon Silicon) 16 / 25 / 41 3.43

碲化鎘(CdTe) 6 / 7 / 13 1.09

硒化銦銅(CIS) 3 / / / 3 0.25

Microcrystalline Si / single Si / 20 / / 20 1.67 A-Si on Cz silze (HIT) / 60 / / 60 5.02

總計 138.7 602 314.4 140.6 1195.2 100.00 資料來源：Renewable Energy World, July-August, 2005；本研究整理

1. 依製成材料分類

(Crystalline) 多晶矽(Poly) 10~17% 10~15% A 矽半導體

所謂的ingot-based 的太陽電池是使用晶圓(wafer)當基板，晶圓本身就是 光電效應的作用區。因為是用晶片作基板，一般就使用擴散 (diffusion) 製程技 術，在p-型晶片做 n-型擴散，或在 n-型晶片做 p-型擴散，形成 p-n 二極體。

單晶矽和多晶矽太陽電池都是ingot-based，其晶片是由矽錠(ingot)切割而得。

目前全球太陽電池市場在各方面發展情況，還是以結晶矽為主，一般可細

不過，能源的應用關鍵還是在於「成本問題」，雖然其製造成本已降至1960 年代的1/50，價格成本(注：電池用電單位瓦數（watt）)也已從 1975 年代的 80 美元/瓦降至 2.5~3 美元/瓦左右，但所耗費的成本與經濟價值，還是要比傳統 電力高出許多。目前市場只能在特殊應用中，實現小部分商品化過程。因此，

為了提升發電效能與轉換效率，及有效降低產品成本，全球各大能源研究單位 均大力投入太陽電池相關技術研究，企圖開發出更新的應用物質，實現太陽電 池普遍應用之最終目的。

I. 單晶矽

在單晶矽的材料中，矽原子均按照一定的規則，具有高度週期性地排列。

目前，成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法(Czochralski method)，把高 純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插入矽熔融液，用適當的速率(每分鐘 2

~20 轉)旋轉，緩慢地往上拉引(每分鐘 0.3~10 毫米)做成矽晶柱，然後再把晶 柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。單晶矽太陽電池的光電轉換效率最高，

使用年限也較長，因此對於矽材料的品質要求也較高，長晶過程慢且嚴謹，一 般是以向上拉晶的方式(Pull or Grow)邊轉邊拉，價格因此較昂貴，比較適合於 發電廠或交通照明號誌等場所的使用。

圖 21：單晶矽太陽電池及其模組 資料來源：NEDO 技術開發機構 II. 多晶矽

多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，矽原子堆積方式不只一種，

它是由多種不同排列方向的單晶所組成。它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化 而形成。多晶矽的特性，在於切割和再加工的手續上，比單晶矽和非晶矽更困 難，效率方面也比單晶矽太陽電池的低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它 的最重要特色。由於原料的利用範圍廣，取得較容易，且採用澆鑄法(Casting) 可以快速結晶，所以成本優勢更為明顯，在部分低功率的電力應用系統上，便 採用這類型的太陽電池。目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超

越單晶矽的太陽電池。

圖 22：多晶矽太陽電池及其模組

資料來源：NEDO 技術開發機構

III. 非晶矽

非晶矽太陽電池最早是在1976 年由 Carlson 與 Wronski 所發展出來，是指 整個材料中，只在幾個原子或分子的範圍內，原子的排列具有周期性，甚至在 有些材料中，根本沒有周期性的原子排列結構，排列紊亂，無規則可循。它的 製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板(如玻璃)上長成厚度約 1 微 米左右非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，用不同的材料設計出 太陽電池時，它們的光電特性也會有所不同。由於價格最便宜，生產速度也最 快，所以非晶矽太陽電池也比較常應用在消費性電子產品上，而且新的應用也 在不斷地研發中。

圖 23：非晶矽太陽電池及其模組 資料來源：NEDO 技術開發機構

(2). 化合物半導體型

常見化合物半導體又可依組成元素分類為 I. 四四族化合物半導體：

II. 三五族化合物半導體：

i. 二元化合物：砷化鎵(GaAs)

ii. 三元或四元化合物：磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵銦 (InGaAs) III. 二六族化合物半導體：鍗化鎘(CdTe)

其中，製作太陽電池所運用的化合物半導體多為三五族半導體與二六族半 導體。主要有：砷化鎵(GaAs)、磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵銦 (InGaAs)、鍗化 鎘(CdTe)、硒化銦銅(CuInSe2；CIS)、銅銦鎵二硒(CuInGaSe2；CIGS)等。其中 以砷化鎵技術較成熟，應用也較廣，一般也慣用以GaAs來代替化合物半導體的 名稱。這些材料所製作出的太陽電池都有很高的效率，但是因為製程的成本較 高，所以只有應用於少數特殊的用途。例如由於其抗宇宙射線的能力佳，可靠 性高，幾乎都用於軍事用途。

單晶CIS 薄膜太陽電池是在 1973 年由 Wangner 研發成功且有 12%高轉換 效率的新產品，接著在1980 年代早期，由美國波音公司開發出來的 CIGS 薄膜 太陽電池，曾創下19.2%的高實驗室紀錄。此效率幾乎可與結晶矽太陽電池相 當，且CIGS 可藉由調整所摻雜的 In 與 Ga 的比例來改進對太陽光能的吸收量，

再加上原物料成本較低廉，故此二種太陽電池(CIS、CIGS)已被視為最可能取 代結晶矽太陽電池的新一代電池。

圖 24：CIS 太陽電池與高效率化合物太陽電池

(3). 有機半導體型

有機太陽電池在1986 年就已問世， 其結構採取 donor-acceptor interface 的設計，取代矽及化合物半導體太陽電池的p-n 接面，長期以來其光電轉換效 率僅維持在1%，直到 Princeton 大學 Forrest 教授實驗室改變製造有機太陽電池 的有機化合物後，才使得光電轉換效率達到3.6%。

有機太陽電池目前概分為色素增感太陽電池（DSSC , Dye Sensitized Solar

Cell）、Polymer/nanoparticle hybrid solar cell 二類。這二類薄膜型有機太陽電池，

都屬於奈米技術的範疇。色素增感太陽電池（DSSC）已被視為奈米技術在能 源應用的實用化先驅，Polymer／nanoparticle hybrid solar cell 方式，則是塑膠 太陽電池商品化最有希望的方式。

I. 染料敏化型(Dye-Sensitized Solar Cells；DSSC)

瑞士科學家Gratzel 在 1991 年提出「染料敏化太陽電池」，又稱「色素增 感太陽電池」。此項技術成功以奈米結構電極與染料，結合出具有高轉換效率 電子轉移介面技術，與過去無材料固態介面設計有所不同，被視為奈米技術在 能源應用的實用化先驅，為第三代太陽電池。近年來DSSC 在實驗室及商業化 用途持續發展，最大原因在於簡單製程，不用投入昂貴設備及無塵室廠房等設 施，加上二氧化鈦、電解質等材料價格便宜是兩大關鍵要素。

DSSC 光電轉換效率早已超過 10%，達到商品化的條件，但遲遲未能商品 化的瓶頸，在於色素成本高昂及缺乏大面積薄膜量產製造技術，由於DSSC 目 前仍須高溫燒結製程，因此無法有效製作在塑膠基板上，為使產品Flexible 化 且進一步降低成本，必須開發低溫量產製程及低成本色素。

圖 25：染料敏化太陽電池

II. Polymer / nanoparticle hybrid solar cell

Polymer / nanoparticle hybrid solar cell 包括 Polymer / Fullerene composites，

及Polymer / Inorganic composites 兩種。Polymer / Fullerene composites solar cell 實驗室的光電轉換效率可達到5 %，Polymer / Inorganic composites 的轉換效率 最低，仍在3%以下。Polymer / Fullerene composites solar cell 為 2004 年 Siemens 的研究團隊第一個製作出光電轉換效率5 %的 polymer solar cells。由於 Polymer / Fullerene composites 有很高的電子遷移率，且所形成的奈米薄膜更輕又更薄，

更適合製作在塑膠基板上，不過，由於發展的歷史並不長，因此發電效率偏低。

有機高分子聚合物與無機半導體奈米棒複合材料型太陽電池（Polymer / Inorganic nanorods composites），係 2002 年由 Dr. Alivisatos 率先發表，所開發 的太陽電池。將有機高分子與無機半導體混合在一起，可以一起保有兩者的優 點：無機半導體具有優良的電子特性、有機高分子聚合物則可以在室溫下溶解 製造，降低製作太陽電池的成本，並可以將溶液塗佈在塑膠等柔軟的基板上。

光電轉換效率已達到2~3％，目前研究的方向在於提高元件的光電轉換效率及 穩定性。

2. 以外型分類 (1). 晶圓型

晶圓型太陽電池一般也稱為第一代太陽電池，自從1954 年貝爾實驗室製造 出全世界第一顆太陽電池以來，發展持續至今，依基材的不同可區分為單晶矽 太陽電池、多晶矽太陽電池及三五族(砷化鎵，GaAs)太陽電池。其中在 2004 年 時，單晶矽與多晶矽所占的市場佔有率有90%以上。

(2). 薄膜型

薄模型太陽電池一般也稱為第二代太陽電池，包括多晶矽太陽電池、非晶 矽太陽電池、二六族(碲化鎘，CdTe)太陽電池及 CIS / CIGS 太陽電池。主要就 是以較為廉價的基材，如：玻璃、高分子聚合物(塑膠、陶瓷、石墨)或金屬箔 片替代昂貴的矽晶圓基材。非晶或多晶的薄膜光電元件則長在基材上，基材本 身並不參與光電效應。因為只需要一層極薄的光電材料，所使用材料比較少，

故薄膜型太陽電池的最大優點就是生產成本的降低，加上薄膜可使用軟性基 材，應用彈性強，具有可撓曲性且質輕，故在應用上比晶圓型太陽電池更為廣 泛，易與建築物整合，一旦技術發展到成熟階段，應用市場會比晶圓型太陽電 池大得許多。但現今量產的技術尚未純熟，轉換效率仍然偏低，且關鍵原物料 無法充分供應，故目前其製造成本仍高出晶圓型太陽電池40%左右。

美國國家再生能源實驗室日前的報告中指出：「薄膜型太陽電池製造成本，

在過去10 年中呈現大幅下降趨勢，雖然到目前為止成本價格還是要比晶圓型高

在過去10 年中呈現大幅下降趨勢，雖然到目前為止成本價格還是要比晶圓型高