第二章 文獻探討
第一節 薄膜太陽能電池簡介
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第二章 文獻探討
第一節 薄膜太陽能電池簡介
受到地球暖化衍生的環保問題，以及化石燃料（石油、煤炭及天然氣等）資 源有限的危機所影響，利用太陽能發電成為近年來倍受各界矚目的焦點之一。
太陽能發電的技術，依製程區分，主要分為結晶矽（Wafer Base）及薄膜（Thin Film Base）太陽能電池兩大類。其中因矽具有無毒性、氧化物穩定等優點，加上 產業界已有成熟穩定的工業處理技術來處理矽材料，因此矽晶太陽能電池為目前 市場應用主流，佔全球市場約達九成。
然而，由於近年來德國、日本與西班牙等國在太陽能推動政策影響下，太陽 能電池模組市場需求強勁推升，2007 年太陽能電池模組的需求增溫，曾導致矽原 料嚴重缺貨，價格飛漲。雖然自 2008 下半年以來，因多晶矽廠商產能陸續開出，
加上市場需求趨緩，促使矽原料價格逐漸調降，但矽原料價格不穩定的經歷，已 經讓太陽能廠商更加體認到分散風險的重要性；而且矽晶太陽能產業因設備及製 程技術成熟、進入門檻低，在競爭者眾多的產業中，過往的高毛利時代已難以復 見，促使太陽能廠商加速將研發觸角轉向薄膜太陽能電池領域。
壹、薄膜太陽能電池發電原理
薄膜太陽能電池，是以 p/n 半導體接面作為光吸收及能量轉換的主體結構。
在基板上分別塗上二種具不同導電性質的 p 型半導體及 n 型半導體，當太陽光照 射在 p/n 接面，部份電子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去 電子的原子因而產生電洞。透過 p 型半導體及 n 型半導體分別吸引電洞與電子，
把正電和負電分開，在 p/n 接面兩端因而產生電位差。在導電層接上電路，使電
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子得以通過，並與在 p/n 接面另一端的電洞再次結合，電路中便產生電流，再經 由導線傳輸至負載。
從光產生電的過程當中可知薄膜太陽能電池的能量轉換效率與材料的能隙
大小、光吸收係數及載子傳輸特性有關，因此廠商就提升轉換效率的研發方向，
往往也從材料選用、鍍膜方面著手，如圖 1 所示。
圖 1、薄膜太陽能電池發電原理
資料來源：資策會 MIC3（2009）
貳、太陽能電池種類與型態 一、太陽能電池種類
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，如 圖 2 所示。
3 資策會 MIC(2009)，薄膜太陽能電池技術、製程與產品特性分析。
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圖 2、太陽能電池材料分類圖
資料來源：台灣工銀證券4（2008）
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 年曾以 206 MW 的出貨量成為出貨量最大的薄膜太陽能電池5；CIGS 太陽能電池 雖有低製造成本且轉換效率高的優點，但由於量產經驗不足，目前市佔率仍然不
到 5%6。另外，三五族的砷化鎵太陽能電池的轉換效率雖然能高達 40%或以上，
但由於製造成本昂貴，平均每瓦（W）價格可高出多晶矽太陽能電池百倍以上，
4 台灣工銀證券(2008)，快速成長的薄膜太陽能電池。
5 董瑞青(2013)，First Solar－碲化鎘薄膜太陽能電池產業的王者(一)，2013 年 10 月 6 日，取 自 www.libnet.sh.cn:82/gate/big5/www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=7915
6 梁智恆(2010)，CIGS 太陽能量產關鍵因素分析，2013 年 10 月 6 日，取自 http://www.digitimes.com.tw/tw/rpt/rpt_show.asp?cnlid=3&v=20101014-506&n=1
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故目前以應用於航太領域為主，預期並不會成為商業生產的主流7；染料敏化電池
的轉換效率比結晶系太陽能電池差，故為了提高效率、耐久性與可靠性，目前產
學研仍繼續進行主要材料與技術的研究開發8，以朝商業化量產階段邁進。
二、薄膜太陽能電池種類
薄膜太陽能電池中有許多種技術，包括矽薄膜技術（包括非晶矽（Amorphous Silicon，a-Si）、微晶矽（Microcrystalline Silicon，μc-Si）及多晶矽（Poly-silicon））、
化合物半導體技術（包括銅銦鎵硒（CIGS）及碲化鎘（CdTe））以及新興材料技 術（包括有機電池、奈米技術、球狀矽技術等），如圖 3 所示。
圖 3、薄膜太陽能電池分類表
資料來源：資策會 MIC9（2009/01）
7 綠能趨勢網(2013)，綠能知識：GaAs Multijuction (多接面砷化鎵)，2013 年 10 月 6 日，取 自 pv.energytrend.com.tw/knowledge/20130522-6109.html
8 Global Information(2012)，預測染料敏化太陽能電池零件·•材料市場今後會迅速成長，2013 年 10 月 6 日，取自 www.giichinese.com.tw/press/sne242916.shtml
9 同註 3。
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本研究以矽薄膜、碲化鎘、銅銦鎵硒及染料敏化四類薄膜太陽能電池為研究 標的，以下分別針對這四類薄膜太陽能電池進行探討：
（一）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/𝜇c-Si Tandem）技術製造10，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，如圖 4 所示。
10 微晶矽：為非晶矽的改良材料，其結構介於非晶矽和晶體矽之間，主要是在非晶體結構中具有
微小的晶體粒子，因此同時具有非晶矽容易薄膜化、製程成本低廉的特性，以及晶體矽吸收光譜 廣，且不易出現光劣化效應的優點，轉換效率也較高。另外，微晶矽可鍍膜在一般窗戶玻璃上，
在透光的同時仍可發電，因此業界廣泛看好微晶矽是未來非晶矽材料薄膜太陽電池的發展主流
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圖 4、矽薄膜太陽能電池結構
資料來源：SHARP、台灣工銀證券整理11（2008）
（二）碲化鎘太陽能電池
碲化鎘（Cadmium Telluride，CdTe）薄膜太陽能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近距離昇華（Close Spaced Sublimation，CSS）或氣相傳輸沉積（Vapor Transport Deposition，VTD）
等方法形成 CdS 層與 CdTe 層12，並塗佈一層 CdCl2達到活性化效果。CdTe 太陽能 電池的優勢在於生產成本低、性能穩定，轉換效率較矽薄膜太陽能電池高，其規 模化量產具有很高的性價比，但由於對鎘所帶來的重金屬污染有所疑慮，加上另
11 同註 4。
12 氣相傳輸沉積（Vapor Transport Deposition，VTD）為 First Solar 公司的專利技術，其亦嚴格 禁止其他企業採用，故全球其他企業如德國 ANTEC Solar 與美國通用電氣（GE）等多採用技術公 開的近距離昇華（Close Spaced Sublimation，CSS）
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一關鍵原料碲的天然蘊藏量有限，隨著碲化鎘太陽能電池產業的快速發展，碲原 料的價格會不斷攀升，因此現時全球生產的廠商僅美國 First Solar 與德國 ANTEC Solar 等少數幾家，其中美國 First Solar 之產量約佔全球總產量的 95%以上，呈現 一家獨大的局面，而其目前模組轉換效率記錄是 16.1%13，較 CIGS 太陽能電池的 模組轉換效率稍高。另外，碲化鎘太陽能電池目前均使用硬式的玻璃基板，尚未 有可撓式產品上市。
（三）銅銦硒/銅銦鎵硒太陽能電池
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（Copper Indium Diselenide，
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，目前大面積模組的最高效率大約可達至 15.7%14，為台灣積體電路製造
股份有限公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company）所擁有，但就實 際市場面而言，這離量產品有高比例是這種等級的產品還有一大段距離要走。而 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 太陽能電池暫未能取得更高市佔率。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 5 所示。
13 Mark Osborne (2013, April 9). NREL verifies First Solar’s 16.1% total area module efficiency record leap. PV-Tech, News, Thin Film, CdTe. Retrieved October 8, 2013, from
www.pv-tech.org/news/nrel_verifies_first_solars_16.1_total_area_module_efficiency_record_leap
14 PR Newswire (2013, June 18). TSMC Solar Commercial-size Modules (1.09m2) Set CIGS 15.7%
Efficiency Record. TSMC Solar Press Release. Retrieved October 8, 2013, from
www.tsmc-solar.com/Assets/downloads/en-US/TSMC_Solar_Press_Release_EN_Jun_18_2013.pdf
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資料來源：工研院 IEK、台灣工銀證券整理15（2008）
（四）染料敏化太陽能電池
染料敏化電池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC）由於結構簡單，具有材料成 本低與製程簡單的優點，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
染料敏化電池（Dye-Sensitized Solar Cell，DSSC）由於結構簡單，具有材料成 本低與製程簡單的優點，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