为了加速能够取代燃料发电时代的来临，如何降低太阳能发电模组的成本，使太阳能电池及系统价格接近人们的心理底线——普及价格，也就成为当下最紧迫的课题。各种技术中，目前还是以结晶硅的转换效率约15%为最高，所以绝大多数太阳能发电模组是使用结晶硅作为基础材料。此外，就成本结构而言，太阳能发电模组里硅原料就占了将近30%，假使无法有效克服成本问题的话，那么期望能够大幅取代燃料发电的目标几乎是遥不可及了。这样一来，采用新的技术，如薄膜工艺、球型硅技术、微晶硅材料、非晶硅薄膜和结晶硅薄膜层压等就成了业界努力的方向。

就现阶段而言，和其他技术相较结晶硅的转换效率最高，自然不太可能舍掉结晶硅，完全改用转换效率约10%左右的CIS (CuInSe2)化合物材料，甚至于效率更低的色素增强型有机材料。理由是，无论是CIS化合物材料，或色素增强型有机材料，虽然就材料成本而言都是不错的想法，但是绝不可能放弃技术最为成熟的结晶硅制程。因此，对传统的结晶硅工艺进行改进，不失为现实而有效的权宜之计。

以下从提高“转换效率/成本”比、提高转换效率、改进传统工艺三个方面介绍业界在这方面所取得的一些最新成就。

1、提高“转换效率/成本”比

如何降低硅材料使用的比例，利用球型硅作为下一代材料技术已经被业者提出来研究，根据业者的预估，球型硅材料太阳能发电系统预计在2007年以后，将可以达到实用化的阶段，而在硅材料使用量方面，仅有传统结晶硅的1/5左右，这对于硅材料价格日渐增加的情况，无非是令人高兴的事情。

当然，如果要以降低硅材料使用量技术来看的话，与结晶硅相比较，薄膜硅制程只需要1/100以下的使用量，而CIS (CuInSe2)材料更是完全无须使用到硅，利用玻璃基板配合薄膜制程便可达到发电的能力。但是，面对需求量与日俱增的太阳能发电市场，并非只有材料成本这一项考虑而已，转换效率也是相当重要的，也就是说，能够达到最高的“转换效率/成本”比，才是最佳的方法。

目前，计划以薄膜为技术核心寻求发展的还有KANEKA、三菱重工业、富士电机等，在CIS/CIGS的化合物材料的方面，昭和SHELL石油和本田正积极的进行开发，此外在最受注目的球型硅技术方面，Kyocera和Fujipream/Clean Venture 21也计划投入研发。

（1）能大幅减少硅用量的薄膜技术

为了降低太阳能发电模组的成本，太阳能电池业者已经开始改变传统的制造方法，或者是向能大幅减少硅使用量的薄膜类型的产品。

例如，在世界市场上占有率第一的夏普，就不断的试图减低Cell的厚度，在1997年夏普所产出太阳能电池模组Cell的厚度约为380μm，而到了2004年便已经降低到200μm左右，2005年就能将Cell的厚度减少到180μm，在不久的将来夏普期望降低到100μm。这样的技术进步，背后所代表的意义就是，能够在同样输出功率和转换效率的条件下，减少了约40%左右的硅材料，而再进一步也就意味着太阳能电池模组的成本能够得以下降。所以预估，从同样数量昂贵的材料中，获到更大产量是可以被期待的，根据计算，如果技术依照这样的速度发展，相信在2010年，利用同样数量的硅材料，所生产出来的Cell数量将会是1997年的两倍之多。

（2）潜能相当大的球型硅技术

目前，太阳能电池业一个令人注目的趋势是球型硅的生产技术。球状硅太阳能电池仅有多结晶硅太阳能电池的1/5～1/7，这样的技术主要是由日本的Clean Venture 21所开发的，这其中的关键就是集光技术。Clean Venture 21利用六角形的反射镜中放入球状硅，利用反射镜让光集中在球状硅上。直接射入球状硅的光，从球状硅表面反射出来的光，以及射入反射镜的光这三种光照遍了球体全面，所以就达到提高输出的目标。

因为新观念的出现，戏剧般的减少了发电量相当的硅的使用量，球型硅技术最近引人注目。球型硅材料的形成是将硅材料融化后，利用惰性气体加压，让硅材料以点滴的方式落下，在落下的同时因为表面张力的影响，使硅形成球状后快速凝固，接着再利用铝等的合金作为基板，就能够形成Cell。如果所形成的Cell直径较小（约400微米）时，可将反光的透明树脂材料填满球型硅材料之间的空隙，增加太阳光的利用率，而Cell形成的直径较大时（超过400微米），就可在每个Cell之间置入反射板来搜集更多的太阳光线，提高利用效率。另一方面，这样的制程结构，由于不需要在Ingot之后进行切割硅基板，又可以减少掉切割这一部份制程的时间与成本。但是，为了得到优良品质的结晶，特有的技术就必须予以开发，如降落管内部的空气制造，结晶回收的手法等等。

球型硅类型能够高效的发电，就是因为它同一般的WAFER类型不同，能够广角吸收太阳光。Kyocera为了吸收全方位的光，改良了美国Texas Instruments开发的旧结构。在旧结构中，是依靠电极用的铝片遮断从旁侧来的入射光，但是透过把正负极安置在球面的两端，就可以吸收更多的光。

因为当照射到全方位的光时，转换效率可以比传统技术提高约3倍。而且，因为能够不受光的入射角的影响吸收光线，所以从日出到日落，可以维持稳定的效率，这也是特点之一。目前Kyosemi已经利用这一制程生产太阳能发电系统材料，Kyocera预计在2007年第一季量产，而FujiPream计划在2007年上半年投产球型硅材料太阳能发电系统。根据业者的预测，届时利用球型硅材料所开发的太阳能发电系统转换效率将有机会达到15%左右，与目前结晶硅系统相当。

（3）能减少2位数硅用量的微晶硅薄膜

薄膜硅太阳能电池的特征是，与多晶硅太阳能电池相比，硅的使用量能减少2位数。多晶硅太阳能的硅基板的厚度是200～300μm，薄膜硅的厚度是2～3μm。在胶片基板上形成薄膜硅，因此太阳能电池的柔软化也成为可能。课题就是转换效率的提高。在大面积基板上实现多结晶硅太阳能电池所需的转换效率，把多晶硅的置换作为目标。

转换效率上升的原因是因为导入了非晶硅薄膜和微晶硅薄膜层压而成的新构造。过去的薄膜硅太阳能电池，是把非晶硅薄膜当作光电变换材料使用。但是，非晶硅薄膜与结晶硅相比，因为移动性很低，很难把产生的电子和正孔高效率的运到电极处。除此之外，太阳光的吸收波长区域很狭窄，这也是转换效率很低的原因之一。具体的就是，只能吸收300～700nm的短波长的太阳光。现在实现了吸收波长区域的扩大，就是非晶硅薄膜和结晶硅薄膜层压而成的新构造的薄膜硅太阳能电池。从来的非晶硅膜里层积了微晶硅，形成了两层构造，因此变得能够大幅度的吸收太阳光。微晶硅能高效的吸收600nm以上长波的太阳光。

薄膜硅太阳能电池和多晶硅型不同，让硅成膜需要昂贵的等离子离子CVD设备。因此，为了在和多结晶硅太阳能电池的竞争中处于优势，设备折旧费用的降低也是很重要的。例如，KANEKA就是希望能够把年产1MW的2亿日元的设备投资额降低到1亿日元一台。不过，使用薄膜化合物的太阳能电池的致命弱点，就是使用了铟这样稀少金属，或许会出现将来会有产生供给不足的问题的隐患。所以，本田开始研发如何减少铟的使用量的，虽然本田在原料取得上，在未来20年里都没问题，但是为了将来考虑，还是开始进行相关技术的研发。不过，昭和shell却持着不同的想法，认为应该不会成为太大的问题。

2、薄膜硅太阳能电池转换效率的提高 

薄膜硅太阳能电池的历史悠久，而工业化量产是从1980年开始的。但长久以来转换效率都仅有7～8%左右，使得市场规模受限于工商业用途上。然而现今的问题是如何提高转换效率使其成长到1.5倍，进而达到11～12%的目标，全面落实在民生建筑物等方面的发电应用上。

（1）采用“非晶硅薄膜和结晶硅薄膜层压”新结构

目前提升转换效率的技术，大多是将非晶硅薄膜和微晶硅薄膜层压而成的新结构。在过去，薄膜硅太阳能电池是把非晶硅薄膜当作光电转换材料使用，但是这和非晶硅薄膜与结晶硅相比，因为移动性很低，很难把产生的电子及电洞的效率一同转移到电极。除此之外，再加上太阳光的吸收波长区域很狭窄，只能吸收300～700nm的短波长的太阳光，也是导致转换效率很低的原因之一。

因此，为了实现更广大的吸收波长区域，已有业者开始开发非晶硅薄膜和结晶硅薄膜层压而成的新结构薄膜硅太阳能电池，这个技术是在传统的非晶硅膜里层积微晶硅，形成两层结构，微晶硅能高效吸收600nm以上的长波太阳光，因此能够大幅度吸收太阳光。

（2）非晶硅和微晶硅层压技术的突破

关于非晶硅和微晶硅层压而成的薄膜硅太阳能电池，日本KANAKA和三菱重工业相继发表新技术，目的是期望能够实现12%的转换效率，并且希望在2007年进行商品化。

KANAKA表示，利用这样的技术结构，已经可以让新一代的太阳能电池模组达到12%的转换效率，预计在2007年完成的新一代生产线，把新一代太阳能电池模组进行商品化量产。在过去的非晶硅太阳能电池，主要是以地上建筑物发电为用途目标，不过现在由于技术上导入层积结构，更可以考虑进行新用途的开发，例如设置在住宅的屋檐上或大楼的外墙上。

就技术上而言，KANAKA并不因此而满足，反而更积极推动转换效率的提高，以成果而言，目前KANAKA已经完成在1平方公分的样品开发，且达到14～15%转换效率。

除了KANAKA之外，三菱重工业在太阳能的转换效率上获得了突破性的发展。三菱重工业利用1.4×1.1m的大型基板上，制作出高品质的硅膜，达到转换效率为11～12%的高效能太阳能电池模组。这和三菱重工业过去的非晶硅太阳能电池相比，在相同的面积上可以得到1.5倍的输出。其实在2年之前，三菱重工业就在40平方公分的基板上完成了高效率化效率，但是为了达到大型化，以及量产化，三菱重工业则是花费了2年的开发时间。目前，三菱重工业也和KANAKA一样，继续朝向提高转换效率的技术进行开发，下一个阶段是以15%为目标。

另外，夏普在太阳能电池的转换效率技术上也获得相当性的突破，在2005年，开始量产层积结构的高转换效率薄膜硅太阳能电池。夏普的非晶硅太阳能电池转换效率为7%，而现在所量产的产品已经将转换效率提高约1.5倍达到了11%。

（3）层积结构微晶硅太阳能电池的量产

目前层积结构微晶硅太阳能电池有两个问题：高效率化和高量产能力。为了解决这些问题，三洋电机与新能源产业技术综合开发机构共同开发新一代的技术，关于高效率化方面，目标是把现在的10%的转换效率，提高到多结晶硅的14%。

关于高量产能力方面，则是开发出让厚度是非晶硅的10倍的微晶硅，以4nm/年以上的高速成膜技术。在高效率化的开发中，往往会在微晶硅薄膜上掺入微量的锗，根据统计，这样可以把太阳能电池的转换效率提高1.15倍以上，事实上这样的做法也获得一定程度的肯定。虽然，掺入了锗的元素成份，可以因此提高转换效率的效果，不过如果锗的元素成份掺入量过多的话，配向成分虽然会增加，但是结晶的缺陷也随之增加，所以，转换效率就反而下降了，目前业界正在寻找出锗元素的最适的掺入量。

关于高量产能力，三洋电机与新能源产业技术综合开发机构也已经开发了“局部存在的等离子CVD法”。原料气体和无尘高密度的等离子大量供给，可以在大气压等离子CDV技术中，让大型基板简易形成平面型电极，而加速生产的效率，目前利用这样的方法可以达到3.3nm/s的成膜速度来形成微晶硅薄膜。

（4）可卷曲性太阳能电池

让太阳能电池在能够不影响转换效率下达到可卷曲性，是业者所期望的目标，而这样的目标也正在被积极的开发当中，这其中富士电机在这方面也获得了一定程度的成果。一般的玻璃基板厚度是3mm左右，而富士电机所采用的塑胶基板厚度为50μm，这仅有玻璃基板的1/60左右。所以，在整体模组的厚度也只有1mm左右，除了实现可卷曲性的目标之外，也达到了模组轻量化的目标。而且因为可以弯曲，也能很容易的装在像体育馆那样弯曲的屋顶上。

在转换效率方面，利用这样的材料与技术，富士电机已可以达到8.2%的转换效率，但是为了确保能和采用玻璃基板的非晶硅太阳能电池相比且毫不逊色的性能，因此富士电机采用了双层结构，也就是利用非晶硅来作为上层元件，同时利用非晶硅锗膜作为底层元件。上层元件主要是吸收短波长的光，而底层元件则是负责吸收长波长的光。能够达到这样的成果富士电机并不满足，希望未来能够继续开发并进而达到提高转换效率的目标，以下一阶段而言，富士电机预计开发能够量产转换效率即为11～12%的技术。

（5）高转换效率的大型基板量产技术：薄膜化合物半导体太阳能电池

除了使用塑胶基板和层积结构微晶硅以外，高转换效率的薄膜化合物半导体太阳能电池的研发也持续的在进行，但是期望量产出高效率大型基板的太阳能电池却是相当困难，到目前为止还是停留在少量生产的阶段。不过因为市场及趋势的压力下，使得拥有这项技术的业者，也不得不积极进行开发，来达到12%转换效率的市场技术目标。

研发动作较早的是昭和shell石油，已经完成开发1200mm×300mm大型基板的太阳能电池模组，并且能够达到量产程度下，还能维持12%以上的转换效率。而本田也开发出1400mm×800mm的大型薄膜化合物太阳能电池模组，这是利用三片太阳能电池元件连接在一起，其中两片是在同一个基板上生产出来的，所以就技术上，本田也能够达成高转换效率的大型基板量产技术，根据计划，本田希望在量产时就能让模组实现13%的转换效率。

（6）球状硅太阳能电池的不断改进

作为下一代多结晶硅太阳能电池新技术的球状硅，其效率的提升技术一直被业界所关注。球状硅太阳能电池的出现是为了达到节省硅材料使用量所发展出来的技术，而在硅使用量方面，球状硅太阳能电池仅有多结晶硅太阳能电池的1/5～1/7，这样的技术主要是由日本的Clean Venture 21所开发的，这其中的关键就是集光技术。Clean Venture 21利用六角形的反射镜中放入球状硅，利用反射镜让光集中在球状硅上。直接射入球状硅的光，从球状硅表面反射出来的光，以及射入反射镜的光这三种光照遍了球体全面，所以就达到提高输出的目标。

而集光型球状硅太阳电池性能上的问题，和使用其他新材料的太阳电池一样，也是苦恼于转换效率，目前现在球状硅太阳电池的转换效率约是11.7%，与多结晶硅太阳电池的16%相比，稍微有些低。因此Clean Venture 21已经确立的下一阶段的开发目标，就是在2007年第二季开始量产之前，让球状硅太阳电池实现13～14%的转换效率。实际的做法是利用因为球状硅结晶化制程技术的最适化，因而降低结晶的缺陷，或使球状硅内的杂质浓度分布最适化来进行改善。下一个阶段Clean Venture 21希望在2010年时，就能够达到16%的转换效率。 

3、改进传统技术提高硅晶圆利用率
 
在2010年之前，多结晶硅将会是太阳能电池的最主要原料。但是做为原材料-硅的供给，并没有随着太阳能电池市场的扩大而增加产出，因此面对硅晶圆材料的供给不足，相关业者除了积极与上游硅晶圆供应商展开紧密合作，以确保未来硅晶圆材料供应不虞匮乏之外，相对的也加紧开发减少硅晶圆材料用量的相关技术。不过就现实上，随着半导体的产能大幅增加的情况下，太阳能产业期望硅晶圆材料供应的问题，能够在短时间之内获得解决的话，也不是一件相当容易的事情。

根据目前的统计，台湾太阳能业者所需的硅晶圆材料有98%必须仰赖进口，因此台湾政府单位也希望藉由各项计划的推动与政策，来提高太阳能产业用硅材料自给度。根据经济部的规划，希望能够在2010年硅材料的自给度能够达到100MW的产能需求，这些方案包括了，引进传统制程技术、改良西门子制程技术、引进俄罗斯技术、吸引SolMic公司退休专业团队，以及继续精进工研院的火法（高温）冶金纯化技术。就目前而言，似乎输入国外退休专业相关团队，以及继续精进工研院的火法冶金纯化技术这两方面，是较倾向被采用与推动，输入国外退休专业相关团队的部分，预计将投入10亿元，最快2007年开始试产、2008年产出达300公吨、2010年增至1000公吨。而工研院的部分，预计投资金额为5亿元，希望能够在2010年量产500公吨。

（1）提高硅晶圆材料利用效率

就对策上来说，提高硅晶圆材料是有其一定必要性。但是，与其等待计划的实现，不如从现有的方法上，再予以精进来重新检讨部分的制程技术，例如重新评估INGOT的技术流程，目前似乎是较快速的方法，包括研究舍弃传统的CZ与FZ长晶方式，改用铸造硅晶棒（Silicon Ingot Casting）的技术，就重量的部分，目前已经可以产出400公斤的INGOT。

太阳能电池硅晶圆材料中，二氧化硅的纯度达到97%以上。经过开采硅矿石之后，硅材料供应业者多是利用镕炉来提炼还原成冶金级的硅，并且经过盐酸氯化，以及蒸馏纯化等等的制程之后，产出多晶硅材料，因此最终的产品无论是多晶硅晶圆，或者是单结晶硅晶圆，均是以多晶硅为基础材料，再利用柴式长晶法来拉出单晶硅晶棒，经过研磨、拋光、切片等等的程序之后，完成半导体或太阳能电池下游客户所需要的硅晶圆片。就纯度以及规格要求上，半导体业者所要求的条件，都比太阳能业者所使用的硅晶圆片来的高要求高。

为了提高原料的使用效率，相关业者就必须从各个角度来进行考量，包括如何从一定长度的INGOT（硅晶棒），切割出多少的硅晶圆、怎么降低切损（Kerf Loss）、改用线锯的方式来切割等等都是需要研发的方向，同时为了解决这些问题点，相关的制造设备也需要同时强化其能力。

（2）采用线锯切割可大幅度降低硅材料损耗

在晶圆的切割方面，如果不使用轮盘锯切割，而改用线锯切割技术的话，就必须强化线锯切割相关设备，线锯切割晶圆技术是在90年代开始发展，采用线锯切割的晶圆厚度可以达到150μm以下，并且所产生的切损只有122μm，目前太阳能用硅晶圆也开始朝向利用线锯切割技术来生产，这样的生产技术对于半导体用硅晶圆来说，已经是主流的切割技术，到目前为止所使用的线锯，在开发技术已经可以生产出直径120～170μm，长度100～500km、砥粒直径8～20μm的线锯。

日本Toyo Advanced Technologies为开发出适合使用在切割太阳能用薄型晶圆线锯，也投入了相当大的研发资源，开发出适用于线锯切割的技术与相关设备。Toyo Advanced Technologies的方法是，首先直接检测线锯的Wire Tension，立即把Feedback结果输入驱动马达系统，这样的用意是，能够在最短时间内，让系统来反映出当出现切断时的张力变化。另外，为了减少在Wire线所经之路上的弯曲部分，不让Wire出现勉强受力的现象，Toyo Advanced Technologies的做法是，切断裂断强度很低的细线。而且，由于设备机构提高了机械刚性，所以Toyo Advanced Technologies也在主滚筒上增加缠绕Wire的数量，并且将Wire间的距离所短，来提高设备的制程使用负荷能力。

此外，为了防止浆状液体（Slurry）的黏度受到热效应而产称变化，因而降低Wire的锐利度，Toyo Advanced Technologies也同时开发了专用的浆状液体喷嘴，利用大容量的热交换器来控制浆状液体温度，使浆状液体平均分布在Wire上。就整体的特色而言，是利用温度调节能力，和被强化的设备机械刚性，来因应生产时的负荷和热效应问题。根据实际应用，目前这样的设备能够同时切断4根155×500mm的单结晶/多结晶INGOT，而所切割下来晶圆的厚度也可以达到业者所需的150μm。未来Toyo Advanced Technologies进一步的发展方向是，为了满足太阳能业者的要求，将研发能够切割更薄晶圆的生产设备和技术。

（3）崭新的硅晶圆制程技术

当然为了降低晶圆的生产损耗，并非只能朝向改善切割方式一种发法。因此也有其他业者开发出了另一种技术趋势，就是重新设计了原来从INGOT制造，到晶圆切片(Wafer Slice)的制程。

德国Schott Solar采用了Edge-defined Film-fed Growth（EFG）制程技术，利用这个技术可以降低了多晶硅的使用量。EFG的制程是，把中空构造的Tube，从溶解的硅之中提出来，然后再进行表面切除。再传统制程中，如果要把INGOT拉提上来之后，再进行晶圆切割的方式，这样会浪费掉约50%的硅材料，但是，如果采用EFG制程的话，所浪费的硅材料可以控制在10%左右。所以Schott Solar的策略是，有效利用所有的硅原料，来提高a-Si的产率。

除了这样的技术之外，美国Evergreen Solar也发明了另一种技术String Ribbon technology，这个技术是从溶解在锅炉里的多结晶硅的下到上牵引出两条线，利用里面的表面张力来生产出硅薄膜，不过目前还正在进行研究，以达到更成熟的应用。String Ribbon technology这种技术除了可以防止在切薄晶圆时，发生的切损引起材料的损失之外，还有不需要进行清洗制程的优点。

此外，为了降低生产时的硅材料使用量，SolarWorld也和ECN共同开发Ribbon成长（RGS）技术。经过各式各样的技术开发，以及各方面的努力，预计在2010年时，结晶硅太阳电池模组平均转换效率将会高达16%，而且INGOT的重量也可以达到937公斤，硅晶圆的厚度为150μm，在切损的方面也可以减少到122μm左右。

4、技术展望：如何开发新一代硅晶圆制程技术

目前，虽然包括单结晶硅和多结晶硅太阳能电池约占市场总额的90%，但是在未来，多晶硅太阳能电池应该逐渐被一些新技术取代，这些新技术包括基于薄膜硅、球状硅等新材料或技术的太阳能电池。使用这样的新材料，就不会再受多结晶硅原料的供给不足的困扰，可以实现增加太阳能电池生产业者，而达到大幅度的降低生产成本。

值得注意的是，虽然有一部分太阳能电池业者将制程技术改变成为能够大幅度减少硅材料使用量的薄膜以及球型技术，但是就产量而言，与传统的单结晶硅/多结晶硅相较，还是相当的少，所以已经有相当多业者开始重新思考，如何开发新一代硅晶圆的制程技术，如果能够换一个角度来改变看法，或许这也是推动硅晶圆生产技术革新的新力量。

查询更多信息，请参考以下网站：
1、Solar Energy Industries Association (SEIA)
http://www.seia.org/
2、太阳能信息交流网
http://solarexchange.info/
3、Journal of Solar Energy Engineering
http://ww2.asme.org
4、IEA-PVPS
http://www.iea-pvps.org