在太陽(yáng)能家族中，薄膜太陽(yáng)能電池由于較不受日照條件影響，也不像硅晶片型會(huì)因溫度上升而使轉(zhuǎn)換效率顯著降低，因此不論是晴天還是陰天，薄膜太陽(yáng)能電池每瓦發(fā)電量可能反而較高，此外還有設(shè)置地點(diǎn)具彈性、重量輕及外表造型可美觀的優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)商機(jī)巨大。

主流薄膜太陽(yáng)能電池

薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)依材料類型主要可分為：非晶硅（a-Si）、薄膜硅，以及化合物半導(dǎo)體材料CdTe與CuInSe2（CIS）等，參考表1。目前商業(yè)化的薄膜太陽(yáng)光電模組效率仍較主流的結(jié)晶硅型效率（15~17%）為低，一般多在10%以下。

但是，由于薄膜式太陽(yáng)能電池只需使用一層極薄光電材料，相較于硅晶圓必須維持一定厚度而言，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用軟性基材，應(yīng)用彈性大，如果技術(shù)能發(fā)展成熟，其市場(chǎng)潛力較硅晶太陽(yáng)能電池更廣闊。以下介紹一些主要的薄膜式太陽(yáng)能電池類型。

1、非晶系硅太陽(yáng)能電池（Amorphous silicon solar cell）

此類光電池是發(fā)展最完整的薄膜式太陽(yáng)能電池。其結(jié)構(gòu)通常為p-i-n（或n-i-p）型，p層跟n層主要建立內(nèi)部電場(chǎng)，I層則由非晶系硅構(gòu)成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2~0.5μm。其吸光頻率范圍約1.1~1.7eV，不同于晶圓硅的1.1eV，非晶性物質(zhì)不同于結(jié)晶性物質(zhì)，結(jié)構(gòu)均一度低，因此電子與電洞在材料內(nèi)部傳導(dǎo)，如距離過(guò)長(zhǎng)，兩者重合機(jī)率極高，為必免此現(xiàn)象發(fā)生，I層不宜過(guò)厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電池長(zhǎng)采多層結(jié)構(gòu)堆棧方式設(shè)計(jì)，以兼顧吸光與光電效率。

這類型光電池先天上最大的缺失在于光照使用后短時(shí)間內(nèi)性能的大幅衰退，也就是所謂的SWE效應(yīng)，其幅度約15~35%。發(fā)生原因是因?yàn)椴牧现胁糠菸达柡凸柙樱蚬庹丈�，發(fā)生結(jié)構(gòu)變化之故。前述多層堆棧方式，亦成為彌補(bǔ)SWE效應(yīng)的一個(gè)方式。

非晶型硅光電池的制造方式是以電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍法（PECVD）制造硅薄膜�；目梢允褂么竺娣e具彈性而便宜材質(zhì)，比如不銹鋼、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高質(zhì)量導(dǎo)電玻璃層價(jià)格高，以至其總制造成本僅略低于晶型太陽(yáng)能電池。至于多層式堆棧型式，雖可提升電池效率，但同時(shí)也提高了電池成本。綜合言之，在價(jià)格上不太具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的前提下，此類型光電池年產(chǎn)量再過(guò)三年仍呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)。

2、銅銦鎵二硒太陽(yáng)能電池

銅銦鎵二硒太陽(yáng)能電池（Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells）光電池有兩種：一種含銅銦硒三元素（簡(jiǎn)稱CIS），一種含銅銦鎵硒四元素（簡(jiǎn)稱CIGS）。由于其高光電效率及低材料成本，被許多人看好。在實(shí)驗(yàn)室完成的CIGS光電池，光電效率最高可達(dá)約19%，就模塊而言，最高亦可達(dá)約13%。CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收范圍可從1.02ev至1.68ev，此項(xiàng)特征可加以利用于多層堆棧模塊，已近一步提升電池組織效能。此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光電材料厚度不需超過(guò)1μm，99%以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量產(chǎn)制造時(shí)，所需半導(dǎo)體原物料可能僅只US$0.03/W。

CIGS光電池其結(jié)構(gòu)有別于非晶型硅光電池，主要再于光電層與導(dǎo)電玻璃間有一緩沖層（buffer layer），該層材質(zhì)通常為硫化鉻（CdS）。其載體亦可使用具可撓性材質(zhì)，因此制程可以roll-to-roll方式進(jìn)行。目前商業(yè)化制程是由shell solar所開(kāi)發(fā)出來(lái)，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投資與制造成本均相當(dāng)高昂，粗估制程投資每平方米約需US$33。實(shí)驗(yàn)室常用的同步揮發(fā)式制程放大不易，可能不具商業(yè)化可行性。

另一公司ISET已積極投入開(kāi)發(fā)非真空技術(shù)，嘗試?yán)媚蚊准夹g(shù)，以類似油墨制程（ink process）制備層狀結(jié)果，據(jù)該公司報(bào)導(dǎo)，已獲初步成功，是否能發(fā)展成商業(yè)化制程，大家正拭目以待。

綜合而言，CIGS在高光電效率低材料成本的好處下，面臨三個(gè)主要困難要克服：
（1）制程復(fù)雜，投資成本高；
（2）關(guān)鍵原料的供應(yīng)；
（3）緩沖層CdS潛在毒害。
制程改善，如前述有許多單位投入，但類似半導(dǎo)體制程的需求，要改良以降低成本，困難度頗高。其次原材料使用到銦元素也是一項(xiàng)潛在隱憂，銦的天然蘊(yùn)藏量相當(dāng)有限，如以效率10%的電池計(jì)算，人類如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有數(shù)年光景可用。鎘（Cd）的毒性一直是人們所關(guān)注，硫化鎘（CdS）在電池中會(huì)不會(huì)不當(dāng)外露，危害人們，并不能讓所有人放心，因此在歐洲部份國(guó)家，舍棄投入此型光電池研究。

3、鎘碲薄膜太陽(yáng)能電池（CdTe）

鎘碲薄膜太陽(yáng)能電池（Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe）在薄膜式光電池中歷史最久，也是被密集探討的一種之一。曾經(jīng)在1982年時(shí)Kodak就首先做出光電效率超過(guò)10%的此類型光電池，目前實(shí)驗(yàn)室達(dá)成最高的光電效率是16.5%，由美國(guó)NREL實(shí)驗(yàn)室完成，其作法是將已建立多年的電池構(gòu)造，在進(jìn)一步增量修改，并改變部分材質(zhì)。

典型的CdTe光電池結(jié)構(gòu)的主體是由約2μm層的P-type CdTe層與后僅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收層主要發(fā)生于CdTe層，僅數(shù)微米厚及可吸收大于90%的光子。CdS層的上沿先接合TCO，再連接基材，CdTe上沿則接合背板，以形成一個(gè)光電池架構(gòu)。目前已知為制備高光電效率CdTe光電池，不論電池結(jié)構(gòu)如何，均需要使用氯化鎘活化半導(dǎo)體層，方法上可采濕式或干式蒸氣法。干式法較為工業(yè)界所采用。

關(guān)于CdTe光電池的薄膜，目前已有多種可行的工藝可采用，其中不乏具量產(chǎn)可行性的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學(xué)蒸鍍（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、網(wǎng)�。╯creen-printing）、電流沉積法（galvanic deposition）、化學(xué)噴射法（chemical spraying）、密集堆積升華法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中電流沉積法是最便宜的方法之一，同時(shí)也是目前工業(yè)界采用的主要方法。沉積操作時(shí)溫度較低，所耗用碲元素也最少。

CdTe太陽(yáng)能電池在具備上述許多有利于競(jìng)爭(zhēng)的因素下，在2002年其全球市占率僅0.42%，2000年時(shí)全球交貨量也不及70MW，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過(guò)10%，究其無(wú)法耀升為市場(chǎng)主流的原因，大致有下列幾點(diǎn)：
（1）模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽(yáng)能電池材料占總成本的53%，其中半導(dǎo)體材料只占約5.5%。
（2）碲天然運(yùn)藏量有限，其總量勢(shì)必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。
（3）鎘的毒性，使人們無(wú)法放心的接受此種光電池。

4、硅薄膜太陽(yáng)能電池（Thin Film Silicon Solar Cells）

最早開(kāi)發(fā)此型光電池是在70至80年代有大的突破。其硅結(jié)晶層的厚度僅5~50毫米，可以次級(jí)硅材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由于電子與電洞傳導(dǎo)距離短，因此硅材料的純度要求不像硅晶圓型太陽(yáng)能電池那幺高，材料成本可進(jìn)一步降低。由于硅材料不像其它發(fā)展中光電池半導(dǎo)體材料，具有高的吸光效率，且此類光電池硅層膜也不像硅晶圓型太陽(yáng)能電池硅層那樣厚度約300微米，為提高光吸收率，設(shè)計(jì)時(shí)需導(dǎo)入光線流滯的概念，此點(diǎn)是與其它薄膜光電池不同之處。

此類型光電池之制備方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、化學(xué)蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學(xué)蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學(xué)蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學(xué)蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無(wú)一引用至工業(yè)界。

該光電池光電效率實(shí)驗(yàn)室最高已達(dá)21%，市場(chǎng)上只Astropower有產(chǎn)品，當(dāng)基材使用石墨時(shí)，效率可達(dá)13.4%，由于石墨材料價(jià)格昂貴，目前研究工作大致有三個(gè)方向：使用玻璃基材；使用耐高溫基材；將單晶硅層半成品轉(zhuǎn)植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功運(yùn)用此方法，成功制備100㎝2，光電效率達(dá)16%的組件。整體而言，此類型光電池系統(tǒng)的發(fā)展仍處于觀念可行性驗(yàn)證時(shí)期，實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)是否能發(fā)展成具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的量產(chǎn)程序，是人們關(guān)注的另一重點(diǎn)。

5、染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC）

此型光電池源自19世紀(jì)，人們照相技術(shù)的理念，但一直到超過(guò)100年后的1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel采用奈米結(jié)構(gòu)的電極材料，以及適切的染料，組成光電效率超過(guò)7%的光電池，此領(lǐng)域的技術(shù)研究開(kāi)發(fā)，才引起大家積極而熱烈的投入。此項(xiàng)成功結(jié)合奈米結(jié)構(gòu)電極與染料而創(chuàng)造出高效率電子轉(zhuǎn)移接口的技術(shù)，跳脫傳統(tǒng)無(wú)材料固態(tài)接口設(shè)計(jì)，可說(shuō)是第三代太陽(yáng)能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授權(quán)，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價(jià)電層電子受光激發(fā)，要升至高能階層，進(jìn)而傳導(dǎo)至奈米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I3+溶于有機(jī)溶劑中形成。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

目前市面上銷售的薄膜PV模組效率多在6~10%，面積則多在1平方公尺以下。其中，日本Mitsubishi Heavy的非晶硅太陽(yáng)光電板面積最大（1.5625m2），穩(wěn)定效率6.4%，輸出功率達(dá)100Wp，每瓦售價(jià)不及3美元。而其他制作大面積、高效率的薄膜PV廠商還有Wurth Solar、Shell Solar、Showa Shell，其CIS太陽(yáng)光電模組效率均高于13%，而Wurth Solar的產(chǎn)品功率達(dá)84.6W為最大，但售價(jià)亦相對(duì)較高，在3美元/Wp以上。目前業(yè)界最佳的大面積薄膜PV模組產(chǎn)品規(guī)格。

2005年全球薄膜太陽(yáng)能電池，包括非晶硅、CdTe、CIS的模組產(chǎn)量約94MWp，較前一年增加49.2%，占全球PV產(chǎn)量約5.4%；其中，以非晶硅產(chǎn)品占最大宗，市占率為62.9%，其次為CdTe占約33.9%�？春梦磥�(lái)市場(chǎng)前景，Mitsubishi、Kaneka、Unites Solar、Shell等大廠積極擴(kuò)產(chǎn)，甚至吸引如日本Honda、臺(tái)灣的鑫笙能源、大豐能源（原光華開(kāi)發(fā)科技團(tuán)隊(duì)）等新加入者投入戰(zhàn)場(chǎng)。

在主要廠商的經(jīng)營(yíng)動(dòng)向方面，2005年全球薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)以Kaneka年產(chǎn)能30MW為最高，其次為United Solar的25MW。2006年，美國(guó)市場(chǎng)在受到政府財(cái)稅獎(jiǎng)勵(lì)的支持下，United Solar將擴(kuò)大產(chǎn)能達(dá)到50MW，一躍成為全球第一大薄膜太陽(yáng)能電池廠商，該公司更計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)，至2010年產(chǎn)能將達(dá)300MW，而Kaneka則計(jì)劃至2008年將年產(chǎn)能提高為70MW。

另一家歐洲太陽(yáng)能電池大廠SCHOTT Sola亦宣布將擴(kuò)大其非晶硅太陽(yáng)光電模組產(chǎn)能，將投資6000萬(wàn)歐元給德國(guó)Jena新建生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2007年秋天年產(chǎn)能可達(dá)30MW。

不過(guò)，由于非晶硅太陽(yáng)能電池具有光劣化的不穩(wěn)定性，近年逐漸朝二層或多層接合太陽(yáng)能電池（Multijunction cell）技術(shù)發(fā)展，以減緩照光后衰退的現(xiàn)象，且可吸收不同波段的太陽(yáng)光譜，使光電轉(zhuǎn)換效率獲得提升。

其中，a-Si/μ-Si迭層（tandem）型薄膜硅太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展?jié)摿︻H被PV業(yè)界看好，例如Sharp、Kaneka、Canon等均積極發(fā)展。薄膜硅原料需求約為硅晶片型的1/100，且具有高吸收光特性，通常無(wú)光劣化現(xiàn)象，因此年度每Watt發(fā)電量較高，對(duì)消費(fèi)者而言能源回收期可縮短。目前a-Si/μ-Si迭層型薄膜太陽(yáng)能電池已有部份商品化，其關(guān)鍵技術(shù)在于快速沉積（>nm/sec）、鍍膜品質(zhì)與大面積制程的可靠度及重現(xiàn)性。

至于Shell Solar，在硅材缺貨的壓力下，已出售其在加州的單晶硅太陽(yáng)能電池工廠給德國(guó)的Solar World。未來(lái)將積極發(fā)展CIS薄膜太陽(yáng)能電池，其CIS試制品經(jīng)TUV認(rèn)證已可達(dá)13.5%，接近目前市面上販?zhǔn)鄣亩嗑Ч鑀V模組效率（14~15%）。不過(guò)CIS制程技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，大面積控制及快速沉積技術(shù)為主要關(guān)鍵；而在制作元件的諸多層次中，尤以黃銅礦層（Chalcopyrite）為關(guān)鍵技術(shù)。

另一個(gè)隱憂是銦（In）及鎵（Ga）元素，在地球上的蘊(yùn)藏量有限。在其他半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)競(jìng)相使用下，將來(lái)也有可能和現(xiàn)在的硅材一樣，發(fā)生材料短缺的問(wèn)題，從而影響CIS/CIGS的市場(chǎng)成長(zhǎng)。

此外，美國(guó)First Solar亦已成功量產(chǎn)CdTe太陽(yáng)能電池，并穩(wěn)定維持每年產(chǎn)量約33萬(wàn)個(gè)PV模組。未來(lái)亦將積極擴(kuò)廠，預(yù)計(jì)產(chǎn)能將由2005年的約20MW，增為2006年的40MW，以及2007年的75MW。鎘污染問(wèn)題是CdTe薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的隱憂，不過(guò)目前First Solar已開(kāi)始推行CdTe太陽(yáng)能電池回收/再生機(jī)制，將有助于CdTe太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的發(fā)展。

市場(chǎng)機(jī)遇及挑戰(zhàn)

太陽(yáng)光電池產(chǎn)業(yè)在過(guò)去幾年呈現(xiàn)35%的年成長(zhǎng)率，市場(chǎng)以硅晶圓光電池為最主要。未來(lái)，硅晶圓太陽(yáng)光電池是否仍能持續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)？由薄膜電池的進(jìn)展來(lái)看，答案可能是否定的。因?yàn)楸∧る姵丶夹g(shù)進(jìn)展很快，就降低成本而言，有很多空間。硅晶圓式光電池技術(shù)發(fā)展已臻成熟，其主要成本來(lái)自于硅晶圓材料，能進(jìn)一步壓縮成本的空間相當(dāng)有限。加上薄膜式光電池所使用材料較少，故整體而言薄膜式光電池是較為環(huán)保且具能源效率的產(chǎn)品。

但是，一個(gè)不容置疑的事實(shí)是，薄膜太陽(yáng)能電池的普及并不是短期內(nèi)可以看到的。由于薄膜太陽(yáng)能電池相對(duì)硅晶片型產(chǎn)品而言，因轉(zhuǎn)換效率較低，單位面積發(fā)電量小，因此若要產(chǎn)生同樣的輸出功率，薄膜PV模組需要更大的裝置面積，在土地與施工成本方面較為不利。另外，雖然薄膜太陽(yáng)能電池可以節(jié)省許多材料成本，但其生產(chǎn)設(shè)備卻比硅晶片型PV貴三倍以上，致使目前薄膜太陽(yáng)能電池的單價(jià)，并不像大家想象的那樣享有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)美國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)市調(diào)研究機(jī)構(gòu)Solarbuzz調(diào)查，2006年3月市面上販?zhǔn)鄣谋∧ぬ?yáng)光電模組最低價(jià)為3.76美元/Wp，而多晶硅PV模組最低價(jià)為3.92美元/Wp、單晶硅則為4.05美元/Wp。顯示出目前薄膜太陽(yáng)能電池雖然較便宜，但是與硅晶片型商品的差價(jià)仍然有限。

由于設(shè)備費(fèi)用約占薄膜PV制造成本的三成，就25MW的非晶硅PV生產(chǎn)線而言，設(shè)備投資額為7~9千萬(wàn)美元。生產(chǎn)設(shè)備投資額過(guò)高，因而阻礙薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的成長(zhǎng)。

若依照目前的發(fā)展趨勢(shì)，在同時(shí)考量各種太陽(yáng)能電池技術(shù)的成本與光電轉(zhuǎn)換效率后，一般認(rèn)為短期內(nèi)PV市場(chǎng)對(duì)硅晶片型太陽(yáng)能電池的接受度還是較高。既使到2020年，世界太陽(yáng)能電池市場(chǎng)中薄膜技術(shù)的占有率也才提升至約22.9%。不過(guò)，薄膜的優(yōu)點(diǎn)是較能吸收漫射光源，適合大面積生產(chǎn)，與建材整合成BIPV模組，或做成可撓性太陽(yáng)能電池，應(yīng)用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品。未來(lái)若有廠商能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化的鍍膜設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線，將會(huì)使薄膜PV產(chǎn)品的制造成本大幅降低。

目前，許多TFT（Thin Film Transistor）設(shè)備廠在PV前景看好的情況下，也開(kāi)始注意這塊市場(chǎng)，LCD顯示器制程中也會(huì)利用到非晶硅鍍膜技術(shù)。因此若能將LCD制程中的陰極噴鍍法（Sputtering）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）設(shè)備順利移轉(zhuǎn)到薄膜PV產(chǎn)業(yè)，將有助于降低薄膜太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線的投資成本與風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)未來(lái)薄膜PV市場(chǎng)的擴(kuò)大將十分有利。

預(yù)估未來(lái)2~3年內(nèi)，全球硅材供應(yīng)量仍難以追上市場(chǎng)需求，在硅晶片型太陽(yáng)能電池上游材料有不足之虞時(shí)，薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)正好可以藉此機(jī)會(huì)擴(kuò)充產(chǎn)能，搶占市場(chǎng)，并通過(guò)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大使制造成本下降。