第四章 產業分析
第二節 產業發展歷程與趨勢
壹、產業發展歷程
根據太陽光電資訊網之記載可整理出太陽光電發電的發展歷史如下;
年份 發展歷史
1839 年 Edmund Becquerel 發現光電效應(Photovoltaic Effect)，他觀察到當氯 化銀電極浸入電解液中，並連接輔助金屬電極，在照射白光時，會產 生電壓與電流。
1954 年 貝爾實驗室(Bell Labs，Chapin 等人)發展出矽太陽電池，其製作的單 晶矽模組為首次將太陽電池模組化，轉換效率約6%。
1955 年 CdS 太陽電池發明 1956 年 GaAs 太陽電池發明
1958 年 開始太空應用(GaAs 太陽電池)
1970 年 開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危機)
由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工業國家的石油供應中斷造成能 源危機，迫使人們不得不再度重視將太陽電池應用於電力系統的可行 性。
1976 年 Carlson 製作出第一個非晶薄膜太陽電池
1980 年 消費性薄膜太陽電池應用(a-Si, CdS/CdTe)，全球的太陽電池生產量還 小於10MWp/y (Wp : peak watt，峰值功率)
1984 年 美國建置第一個大型太陽能發電站(7MW)
1990 年 開始將太陽電池發電與民生用電結合，於是「與市電併聯型太陽電池 發電系統」(grid-connected photovoltaic system)開始推廣，此觀念是把 太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，
如此我們就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負 荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。此一發電系統的建 立可以舒緩籌建大型發電廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破 壞。
1992 年起 歐美、日各國推動PV 補助獎勵，已經有許多是應用在房子,企業以及 公共設施的電力供應上。
2000 年 建材一體型太陽電池應用(Building Integrated PV,BIPV) 2007 年 全球太陽電池設置量已將近3GW，生產量已超過 4GW。
2008 年 全球太陽電池生產量為6.9GW，以國別區分，最大生產國家為中國 大陸，其次是德國與日本，台灣則排名第四位。
2009 年 First Solar 成為全球前十大太陽電池製造商的第一名，也是唯一的薄 膜太陽電池製造商，出貨量達1100MW。
資料來源:整理自太陽光電資訊網，PHOTON International
貳、產業趨勢
在太陽光電產業中，持續不斷的有新技術的開發當屬中游的太陽電池。太陽電池 在轉換效率提升與成本降低的要求下，持續不斷的有新技術的發明，目前發展中的太 陽能電池技術，主要可區分為矽晶片型太陽能電池與薄膜型太陽能電池。矽晶片型太 陽能電池一般也稱為第一代太陽能電池，包括單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池 及三五族太陽能電池；薄膜型太陽能電池一般也稱為第二代太陽能電池，包括非晶矽 太陽能電池、結晶矽太陽能電池、CIS/CIGS 太陽能電池、二六族（CdTe）、染料敏化太 陽能電池與有機材料太陽能電池，主要是不再以矽晶圓作為太陽能電池的基材，而以 較為廉價的基材，如：玻璃、高分子聚合物或金屬箔片等替代，以降低成本。
以下一一介紹各式太陽電池。
一、矽晶片型太陽能電池 1、結晶矽太陽電池
單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上。
多晶矽是以熔融的矽鑄造固化製成，因其製程簡單，所以成本較低。目前由多晶矽所 製作出的太陽電池產量，已超越單晶矽的太陽電池，佔全球太陽電池六成以上。
2、砷化鎵太陽能電池
III-V 族(如 GaAs、InP、GaN)的砷化鎵太陽能電池，則是使用不同的磊晶(epitaxy) 的技術，像有機金屬化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,簡 稱 MOCVD)，或分 子 束 磊 晶 法 (molecular beam epitaxy,簡稱 MBE)方法，將
p
-型和n
-型晶體直接長在晶片基板上，而基板本身通常也不參與光伏作用。而這樣的磊晶 (epitaxy)長晶方式的優點，則在元件結構可以非常的多樣化，例如像異接面、多接面、量子井、量子點、和超晶格等結構。也因如此，III-V 族太陽電池是目前量產太陽能電 池中轉換效率最高的，但其生產成本也相對的是最高者。
二、薄膜太陽能電池.
薄膜太陽電池中又因其中的半導體薄膜材料的不同而有不同的薄膜太陽電池, 常 見的有晶矽,非晶矽、化合物半導體(如: 銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、和碲化鎘 (CdTe)等)。
1、矽薄膜太陽能電池:
含非晶矽太陽能電池（Amorphous Silicon；a-Si）及微晶矽太陽能電池（Micro- crystalline Silicon；μc-Si）.
(1) 非晶矽太陽能電池（Amorphous Silicon；a-Si）
矽薄膜類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，也是目前 薄膜太陽能電池中量產最多者。矽薄膜太陽能電池所使用的矽原料量，約為結晶類太 陽能電池的 1/100 左右，利用化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱 CVD）
或濺鍍法（sputtering），形成僅有數μｍ厚度的矽薄膜，具有輕薄、省材料的優點。
然而，由於非晶矽薄膜有轉換效率低(約 5~7%)及照光穩定度問題（即指電池長期 在 UV 照射下，轉換效率會降低的光劣化現象），一直難以擴大普及率。但隨著二層
（Tandem）或多層接合太陽能電池（Multijunction ）技術的發展，矽薄膜電池透過 不同能隙材料的堆疊，增加光吸收能力，轉換效率可提升到 6~8%，使用壽命也獲得提 昇。
(2) 微晶矽太陽能電池（Microcrystalline Silicon；μc-Si）
90 年代初期被大量研究的微晶矽，則是屬於非晶矽的改良材料，主要是在非晶體 結構中具有微小的晶體粒子，其結構介於非晶矽和晶體矽之間。因此微晶矽除了可薄 膜化、光譜吸收範圍廣外，更具有不易出現光劣化效應的優點，因此常被用來與非晶 矽薄膜堆疊，以提高轉換效率。
(3) 低溫多晶矽太陽能電池（Low Temperature Poly Silicon；Poly-Si）
低溫多晶矽技術主要特點在於改變玻璃基板分子構造，以提昇傳統非晶矽技術性 能。利用準分子雷射作為熱源，雷射光經過投射系統後，會產生能量均勻分布的雷射 光束，投射於非晶矽結構的玻璃基板上。當非晶矽結構玻璃基板吸收準分子雷射的能 量後，會轉變成為多晶矽結構，具有較高的光吸收能力。因整個處理過程都是在 600
℃以下完成，所以一般玻璃基板皆可適用。
(4) 銅銦鎵硒太陽能電池（Copper Indium Gallium Diselenide；CIGS 或 CIS ） 1977 年，本類太陽能電池由美國 Maine 大學開始研究，材料由原先銅銦硒(CIS) 三元素組成，後來為提升轉換效率，演變至銅銦鎵硒(CIGS)四元素。CIGS 為直接能隙
材料，比非晶矽具有更高的吸光係數。美國可再生能源實驗室製造的 CIGS 薄膜太陽能 電池，轉換效率最高可達 19.2%，一般商用模組則可達 10~12%。由於銅銦鎵硒太陽能 電池具有高轉換效率及低材料成本的優點，成為業界關注焦點之一。其需要突破的問 題為原料的取得及多層加工製膜的技術。
(5) 碲化鎘太陽能電池（Cadmium Telluride；CdTe）
此類電池最早由 Kodak 公司於 1982 年製造出來，轉換效率超過 10%，而目前實驗 室最高的轉換效率可達 17%，是由美國再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory；NREL）所研發，商用模組轉換效率則可達 8.5~10.5%。由於 CdTe 為直接 能隙材料，故光吸收層僅需數個微米的厚度，即可達到良好的吸收效果。
相較於多元化合物，CdTe 在製程上較易控制，且可應用多種快速成膜技術，利於 模組化生產，非常適合大面積加工，可應用於建材及大型發電系統，目前已有商品化 產品。然而由於原料蘊藏量有限，加上鎘、碲等毒性物質造成潛在的環保問題，須配 合完善的回收流程，否則其未來發展前景將會受限。
(6) 色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)
色素敏化染料電池是太陽能電池中相當新穎的技術，產品是由透明導電基板、二 氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質和 ITO 電極所組成。此種太陽 能電池的優點在於二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜，又可以利用印刷的方法大 量製造，基板材料也可更多元化。
不過目前主要缺點一是在於轉換效率仍然相當低(平均約在 7~8%，實驗室產品可達 10%)，且在 UV 照射和高熱下會出現嚴重的光劣化現象，二是在於封裝過程較為困難(主 要是因為其中的電解質的影響)，因此目前仍然是以實驗室產品為主。然而，基於其低 廉成本以及廣泛應用層面的吸引力，多家實驗機構仍然在積極進行技術的突破。
(7) 有機導電高分子(Organic/polymer solar cells)
有機導電高分子太陽能電池是直接利用有機高分子半導體薄膜(通常厚度約為 100nm)作為感光和發電材料。此種技術共有兩大優點，一在於薄膜製程容易(可用噴 墨、浸泡塗佈等方式)，而且可利用化學合成技術改變分子結構，以提昇效率，另一優 點是採用軟性塑膠作為基板材料，因此質輕，且具有高度的可撓性。
前兩年上游多晶矽材料缺乏，所導致整體產業鏈價格飛漲的情形，可看出矽晶圓 太陽能電池所面臨的最大問題乃是材料成本太高。一方面是因為多晶矽原料雖然是一 般的砂(SiO2)，但是純化過程中需要規模龐大的廠房，耗費大量的能源才能辦到，因 此單位成本並不便宜，生產上也無法快速因應需要增加產能；另一方面，由於物理性 質的限制，目前用矽晶圓製造太陽能電池目前最少也要 200μm 的厚度，因此在製造大 面積發電模組時對矽原料的用量也相對龐大。
薄膜太陽電池的發展則可改善矽晶圓太陽電池原料成本太高的問題. 薄膜太陽電 池可以使用玻璃、塑膠、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板，非晶或多晶的薄膜 光伏元件則長在基板上，基板本身並不參與光伏作用。薄膜光伏元件厚度可低於矽晶 圓太陽能電池 90%以上, 所以薄膜太陽能電池能節省材料，亦可在價格低廉的玻璃、塑 膠或不鏽鋼基板上製造，甚至可以Roll to Roll 方式大量生產大面積太陽能電池。在業 界持續尋求降低生產成本的要求上，加上具有可撓性，容易搭配建築外牆施工等其他 優點下，已廣被看好將是未來的明星產品。