蕭國瑞

國立台灣師範大學

光電科技研究所 助理教授

kjhsiao@ntnu.edu.tw

一、薄膜太陽能電池

隨著文明的發展以及人口的成長，全球的用電需求逐年增加。傳統的能源來源，諸如煤、石油、天然氣等化石燃料是有限的，因此化石燃料的成本終將提高，並且化石能源容易造成環境污染。而許多國家高度依賴的核能，雖然可以產生大量的能源，但是核廢料具有高度危險性，目前沒有方法可將核廢料完全消除，只能將其儲藏在安全的地方，更嚴重的是核污染是難以還原的。基於經濟上和環保上的考量，取之於自然的再生能源逐漸吸引了大量的興趣。再生能源在發電的過程中是零成本且無污染的，因此產業界以及學術界都投入了大量的資源來發展再生能源，其中不受地域限制且取之不盡的太陽能是最有發展潛力的再生能源之一。

要利用太陽能，首先要具備的硬體裝置為太陽能電池。太陽能電池是一個可以將太陽能轉換成電能的元件。太陽能電池元件結構上普遍包含兩側電極，電極中間夾著兩個具有位能差異的半導體或有機材料。其中一個材料會選擇適合吸收可見光的材料來製做吸收層，吸收層吸光後產生許多對電子與電洞。電子是傳遞電流的單位載子，而電洞是平衡電子電性的反粒子。電子與電洞運動到具有位能差的材料接面時會被電場分開，電子經由電極收集傳送到外部迴路，就形成了可以拿來應用的電流(如圖一所示)。但是產生的電流為直流電，必須經過調節器轉換成交流電才能供電器使用。典型的無機太陽能電池，面對太陽光的一面電極通常以透明導電電極做為材料，背對太陽光的電極由導電性佳的金屬形成。太陽能電池主要以其吸收層的材料來區分其特性，大致上可以分為三個世代：

第一代為矽基太陽能電池，材料包含單晶矽(single-crystalline silicon, sc-Si)以及多晶矽(multi-crystalline silicon, mc-Si)。

第二代為薄膜太陽能電池，主要材料包含非晶矽(amorphous silicon, a-Si)、碲化鎘(Cadmium Telluride, CdTe)、和銅銦鎵硒(Copper-Indium-Gallium- Selenide, CIGS)等。

第三代為使用新穎技術的太陽能電池，包含有機太陽能電池和量子點太陽能電池等新穎技術。

目前矽基太陽能電池和薄膜太陽能電池已經被大量的商業化，市面上的太陽能電池大部分以矽基材料為主。矽基太陽能電池已經展現了高能量轉換效能和高穩定性，然而更低的製造成本可以加速太陽能的推廣。為了降低製造成本，具有高吸收係數的材料被拿來替代矽晶材料以減少主動層的厚度，進而減少材料成本。目前吸收層材料使用厚度可以從200微米減少到2微米，這一類的太陽能電池通稱為薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池和主流的矽基太陽能電池比較，除了材料使用量較低外，較薄的主動發電層可以接受純度較低的材料，薄膜太陽能板一體成型的製造方式可以減少矽基太陽能膜組的封裝成本，並且較輕薄的薄膜太陽能產品易於和建材或衣物等民生用品做結合。然而薄膜太陽能電池的能量轉換效能目前不如矽基太陽能電池，不過隨著技術的提升，兩大類太陽能電池的差距已經逐漸縮小。主流的薄膜太陽能電池材料如碲化鎘和銅銦鎵硒分別需要稀有的碲(Te)和銦(In)元素，目前以太陽能板的回收機制來降低稀有元素的存量影響。薄膜太陽能電池通常使用到鎘(Cd)金屬，其實各種發電技術在發電過程多少會釋放出鎘金屬，薄膜太陽能電池在其生命周期中釋放的鎘金屬其實遠低於其他發電技術，並且在製造過程中嚴格的控管鎘金屬或太陽能板的回收制度將可以有效的將鎘對環境的污染降到最低。第三代太陽能電池技術中的有機太陽能電池和量子點太陽能電池因為主動發電層具有極高的吸收係數，也被製作成薄膜太陽能電池，其理論轉換效能和製作成本極具潛力，但目前的轉換效能和元件穩定性還未達商業化要求，還在研發的階段。

圖一 典型的太陽能電池結構和發電機制示意圖: 1.吸收層吸光後產生電子與電洞，2.電子與電洞運動到具有位能差的材料接面，3.在接面的電場分開電子與電洞，4.電子經由電極收集後傳送到外部迴路。

二、薄膜太陽能電池之種類及其特色

關於太陽能電池，我們關心的能量轉換效能主要是由太陽能電池的電壓、電流、和填充因子所決定。主動發電層中兩種材料的位能差限制了電壓的大小，吸收層材料的吸光能力決定了電流的多寡，而太陽能電池的材料特性與元件的寄生電阻影響了填充因子的大小，太陽能電池的其他細節也會影響表現。以下就不同種類的薄膜太陽能電池做個介紹。

(一)碲化鎘太陽能電池：第一太陽能(世界最大的薄膜太陽能公司也是全球唯一進入前十大太陽能公司的薄膜太陽能公司)選擇碲化鎘為吸收層材料，其每瓦製造成本已達公開資料中各種技術之最低紀錄(0.68美元)，最高模組轉換效能已達16.1%，且最高電池效率已達19.6%。碲化鎘是理論上最適合做為吸收層的材料之一，因為它的半導體特性和標準太陽光譜匹配。碲化鎘太陽能電池對溫度變化不敏感使得碲化鎘太陽能電池年平均實際發電量較矽基太陽能電池多。此外碲化鎘可以選擇經濟的製程技術來製造，因為碲化鎘太陽能電池的電性可以在後處理製程中最佳化。

(二)銅銦鎵硒太陽能電池：在軟性基板上電池轉換效能已達20.4%，最高模組效率已達15.7%。銅銦鎵硒由於包含四種元素，藉由能帶工程，可以有效的提升轉換效率；由於材料特性，在照光後往往可以稍微提高轉換效能；模組中不一定需要鎘金屬的特點也受到特定族群的喜愛。由於銦是稀有金屬，也有研究單位提出類似結構的銅鋅錫硫(Copper-Zinc-Tin-Sulfide, CZTS)來做為吸收層的替代材料，目前該類電池的轉換效率已達11.1%。

(三)砷化鎵太陽能電池：砷化鎵的半導體特性和標準太陽光譜匹配，也是理論上最適合做為吸收層的材料之一，其轉換效能已達28.8%，幾乎是典型太陽能電池結構的理論最大值；由於價格昂貴，適合特殊用途使用，例如人造衛星。

(四)薄膜矽太陽能電池：薄膜矽太陽能電池分為微結晶矽和非結晶矽兩類。結晶矽本身的光學吸收係數較低，所以吸收層通常會比薄膜太陽能電池設計的要厚。近年來，光學設計被利用來增加光在薄膜晶矽內行進的距離，因此有效的增加薄膜晶矽對光的吸收。微結晶矽太陽能電池的結晶比多晶矽太陽能電池要來的小。薄膜微晶矽太陽能電池的發展較晚，但隨著技術的進步，電池轉換效能目前也達到了20.6%，而模組效率已達8.2%。另一方面，非晶矽是最早大量商業化的薄膜太陽能電池，其最大電池效率已達13.4%，最大模組效率已達10.5%(多層堆疊型電池模組，tandem)。非晶矽太陽能電池對溫度變化不敏感，因此平均實際發電量較矽基太陽能電池多；雖然發展的早，但是目前轉換效能低於其他主流技術。

(五)量子點太陽能電池：量子點是一種可以經由設計而決定其吸收光譜的人造結構。有了量子點，太陽能電池材料的選擇將會更多。量子點太陽能電池轉換效能在短短的數年間已達7%，相信在技術的進步下，轉換效能可以持續的提升。

(六)有機體太陽能電池：此類太陽能電池主要的吸收層材料為有機體。有別於以上介紹的無機體太陽能電池，有機體具有低成本、高產出、重量輕、可彎曲等優點，但是目前轉換效能和耐用度還是遠落後無機太陽能電池。有機太陽能電池主要分為有機化合物和染料增敏(染敏)兩大類。有機化合物太陽能電池的吸收層材料是具有半導體特性的有機化合物形成，製程容易，目前電池效率已達11.1%，經由多層堆疊，效率可達12%。另一方面，染敏太陽能電池主要用有機染料來吸光，藉由二氧化鈦、有機染料、和電解質之位能差來分離電子與電洞對，電子經電極收集後流到外部迴路形成電流，目前電池轉換效率已達14.1%。為了更進一步提升有機太陽能電池的轉換效率，無機的奈米材料被刻意添加到有機主動發電層。這個結合是期望有機和無機複合的主動發電層除了具有有機太陽能電池原本的優勢外，可以進一步獲得無機太陽能電池的其他優點，如較佳的穩定性、奈米材料可以經由設計調整吸收光譜和提升電子的傳送，該類太陽能電池被稱為複合型太陽能電池，其轉換效能已達10%的水平。

表一 各種薄膜太陽能電池之整理及其最高太陽能電池轉換效率(2013/7/1)。

三、薄膜太陽能電池之未來發展趨勢

雖然目前太陽能電池還是以矽基太陽能電池為主，近年來，薄膜太陽能電池的總發電量佔有率已經從2008年的14%上升到2013年的25%。此一趨勢已顯示該技術在太陽能產業中的高度成長。薄膜太陽能電池如上節所述具有許多種類，不同的總類具有不同的市場區隔。薄膜太陽能電池中的碲化鎘太陽能電池已經證明了比矽基太陽能電池具有更低的每瓦成本優勢，且對溫度變化不敏感，因此適合使用在大面積的太陽能發電廠，或是土地成本較低的發電單位。同樣也是著重在地面應用的其他太陽能電池，包含銅銦鎵硒和非晶矽，由於產品可以不含鎘金屬，對於排斥含鎘產品的客戶更具吸引力。另外微晶矽的成長相當的快速，因為矽基太陽能電池的製作手法已經相當的成熟，雖然起步較晚，目前微晶矽太陽能電池的轉換效能已經和主流的薄膜太陽能電池追平。隨著薄膜太陽能電池效率的提升、成本的下降、與可靠度的進步，漸漸的會化分掉矽基太陽能電池的市場，甚至是傳統發電的能源市場。銅鋅錫硫是為了減少銅銦鎵硒中稀有金屬的使用而產生的替代方案，隨著效率的提升，未來有機會和銅銦鎵硒形成競爭。砷化鎵具有高轉換效能，但是成本不低，適合高土地成本或是有限面積的環境使用，成本的降低將會使砷化鎵太陽能電池使用更為普及。

薄膜太陽能電池也很適合和民生物品做結合。因為具有重量較輕的優勢，可以和建材做結合，或獨立架設在屋頂或棚頂發電使用。薄膜太陽能電池一般呈黑色，經由設計可以製作成半透光的太陽能模組，適合做成節能玻璃或玻璃帷幕。而染敏太陽能電池呈現染料的顏色，可以製作成彩色的太陽能模組，再搭配建物的設計，可以形成色彩繽紛的藝術作品。隨著薄膜太陽能模組的推廣，未來的綠建築一定隨處可見。由於現代人在日常生活對電子產品有很強的依賴性，太陽能電池很適合當作行動電源來使用，例如太陽能手機充電器、太陽能帽、或是太陽能帳篷等。

四、如何推廣薄膜太陽能電池之應用

薄膜太陽能電池涵蓋許多不同種類的產品，推廣方法不外乎要讓消費者知道薄膜太陽能電池所帶來的好處。就發電站而言，因為早期投入資金龐大，需要政府簽長期合約來補助，比較可以引起民眾的投資興趣。就結合薄膜太陽能電池的綠色建築而言，應該讓消費者了解長期下來太陽能可以帶來多少經濟和環保上的效益。就消費性電子產品的充電裝置而言，應該讓消費者知道太陽能可以帶來的便利性。就含有設計感的半透明或彩色太陽能模組而言，應該要把附加的藝術價值讓消費者看見。總結而言，都是要讓消費者感受到薄膜太陽能電池的投資性、便利性、和藝術性，因此最好的推廣方法就是展示產品的功效並且教育消費者如何去使用薄膜太陽能電池。