2008/11/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳 芃
薄膜太陽能電池具有輕薄、可撓曲、能製作大尺寸面積等特性，較主流的矽晶太陽能電池更具應用上的彈性，能與建築及日常生活用品更緊密結合，是目前被公認最具發展潛力的下世代太陽能電池。
「輕、薄」是時代對科技產品不變的要求，也讓其成為一項技術指標。舉例來說，雖然TFT-LCD在技術規格上並沒有超越、甚至仍不及CRT螢幕，但是輕薄的平面顯示器，幾乎已完全取代笨重的傳統螢幕。薄膜太陽能電池有著類似的優勢，而其製程與台灣蓬勃的TFT-LCD頗為類似，故國內廠商已展開一波新的投資，希望能在太陽光電產業中走出一條新的道路。
在矽晶太陽能之外
薄膜太陽能電池被視為下一世代的太陽能發電技術，顧名思義，其就像薄膜一般，厚度僅約數微米而已，比起固定在厚重基板上的矽晶太陽能電池，就像是一張薄紙和一片厚玻璃的區別，這也使得薄膜太陽能電池在各式應用上能更不受限制。
在製造方面，薄膜太陽能電池利用塑膠、玻璃等做為基材，經過多重處理後，在基材上生成具光電轉換作用的薄膜，其大致包括：矽薄膜、化合物、有機染料等幾種類型，其中，由於有機染料太陽能電池現階段實用化與商業化比例有限（2007年全球市占率0.1％以下），故不在此討論。
除應用上的優勢外，另一個支持薄膜太陽能發展的原因是原料矽的供不應求。2007年全球矽材料產量僅5.2萬公噸，不敷半導體與太陽光電兩大產業使用，目前矽晶太陽能電池約占全球市場9成，但原料矽長期缺料，價格又水漲船高，限制了產業的發展。
反觀薄膜太陽能，化合物型電池不需使用矽，沒有原料矽的問題；矽薄膜電池使用的矽並非半導體等級，同時數量少、品質要求低，故原料供應無虞。日本太陽能大廠Sharp在2007年改弦易轍，由矽晶轉向全力研發薄膜太陽能，即為原料主導產業的鮮明例證。
應用面是強項
目前最普遍的矽晶太陽能系統，通常透過二次施工架設在屋頂上，系統自身有相當重量，必須考慮房屋結構，同時亦需考慮屋頂形狀、面積、陽光照射角度等裝設上的問題，並強化支架強度以應對颱風等天災，整體架設成本高，對於土地狹小的台灣，特別是在都會區，可裝置面積實在有限。
薄膜太陽能電池因具輕薄、可彎曲的特性，可以依屋頂形狀製作，甚至在建築前即與屋頂合成為一模組，如此不但可創造較大安裝面積，安裝時也不需要特別的支架等，能降低設置成本。而除在屋頂裝設之外，更可應用在建築物的表面，例如將外牆的玻璃帷幕貼附薄膜太陽能電池上，就可有效增加裝置面積達數倍之多。由於薄膜太陽能電池具有可透視（部分透視）、可採光的特性，頗適合用於建材領域，在日本的研發中，門窗、有採光的隔間牆均具有裝置的可能性。
另一方面，薄膜太陽能也是可攜式電源的良好選擇。在車頂、車窗利用此技術，可以做為混合動力車（Hybrid Vehicle）的輔助電力，增加電池續航力，降低油料使用。其他應用上，可製作成具有發電功能的帳棚、太陽能手機與無線電通訊器材等，可減少戶外運動時許多裝備的重量，更對災難救護等有極大的助益。
轉換效率仍待加強
在應用面上，薄膜太陽能雖具有多種的可能性，不過在技術面上卻仍有相當的困難，關鍵點在於將陽光轉換成電力的效率。目前矽晶太陽能電池平均效率可達15％左右，商業量產表現成熟與穩定；然而在矽薄膜太陽能方面，國內已有數家廠商引進國外整廠設施，其效率多在7％左右，雖然有國外廠商宣稱可達到13％，但是僅為實驗室規格，離商業化量產仍有相當距離。
舉例來說，1kW的矽晶太陽能電池系統裝置面積約需10平方公尺；同樣是1kW，矽薄膜太陽能因效率僅約矽晶的一半，故裝置面積必須加倍，達到20平方公尺以上。如此一來，原本薄膜可增大裝置面積的優點，卻因為效率的問題而被沖淡。矽薄膜太陽能雖可以透過堆疊（Tandem）方式提升效率，但是膜的厚度將增加，限制了應用性，同時成本也會隨之上漲。
在化合物系薄膜太陽能方面，其轉換效率較高，如碲化鎘（CdTe）可達16％以上，但是鎘為有毒重金屬，在歐盟RoHS指令中已不准使用於電子電機設備之中；不過已有廠商提供產品壽命結束後全面回收的保證，以消除環保疑慮。硒化銅銦鎵（CIGS）則因為多層膜組合，製造難度高，且原料取得較為困難，故影響其發展。
後勢端看技術發展
太陽能因具有零排放的優勢，在許多國家的政策支持下，裝置設施逐漸擴大，且由獨立使用的電源，逐步轉變為併入電網的模式。2007年太陽能併網發電已達92.3％，離網應用僅7.7％。由此觀察，能夠併入電網、降低成本，足以與傳統發電方式競爭的商業性太陽能電廠，將會是太陽能發電的主流，也是把餅做大、提升產業規模的主要路徑。
目前矽晶太陽能電池仍是太陽能發電的主力，約占全球市場的89％左右，各式薄膜太陽能電池總約占10％左右的市場。現階段薄膜太陽能電池成長頗為迅速，廣泛的應用性與看好未來市場是主要的原因，且缺料問題對於矽晶太陽能傷害頗大。另一方面，CdTe以頗高的轉換效率與回收環保承諾，成功進入最大的德國市場，一舉拉高了薄膜太陽能的整體市占率。
在導入產業方面，矽薄膜太陽能電池製造多採化學蒸鍍製程（CVD、PVD），需要大量真空設備，設備成本非常高。同時，因鍍膜速度慢，要達到相當產量，則必須投入更多的設備。舉例來說，一座25MWp的矽晶太陽能廠約需新台幣4億元，模組廠1億元，設備成本總共投資約5億元。相同產能的矽薄膜廠，總投資約需15億元，如以商業角度來看，投資效益仍有待加強。
綜合上述，矽晶太陽能具投資成本低、效率較高、製作技術成熟、可連結成大型系統等優勢，有利於現階段的商業化發電競爭，故薄膜太陽能目前多朝向先期導入與特殊市場來發展，待效率與成本等關鍵點有所突破後，預估市場占有率將會大幅上揚。（作者任職於工研院材化所）