在太阳能家族中，薄膜太阳能电池由于较不受日照条件影响，也不像硅晶片型会因温度上升而使转换效率显着降低，因此不论是晴天还是阴天，薄膜太阳能电池每瓦发电量可能反而较高，此外还有设置地点具弹性、重量轻及外表造型可美观的优点，市场商机巨大。

主流薄膜太阳能电池

薄膜太阳能电池技术依材料类型主要可分为：非晶硅（a-Si）、薄膜硅，以及化合物半导体材料CdTe与CuInSe2（CIS）等，参考表1。目前商业化的薄膜太阳光电模组效率仍较主流的结晶硅型效率（15~17%）为低，一般多在10%以下。

但是，由于薄膜式太阳能电池只需使用一层极薄光电材料，相较于硅晶圆必须维持一定厚度而言，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用软性基材，应用弹性大，如果技术能发展成熟，其市场潜力较硅晶太阳能电池更广阔。以下介绍一些主要的薄膜式太阳能电池类型。

1、非晶系硅太阳能电池（Amorphous silicon solar cell）

此类光电池是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或n-i-p）型，p层跟n层主要建立内部电场，I层则由非晶系硅构成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I层厚度通常只有0.2~0.5μm。其吸光频率范围约1.1~1.7eV，不同于晶圆硅的1.1eV，非晶性物质不同于结晶性物质，结构均一度低，因此电子与电洞在材料内部传导，如距离过长，两者重合机率极高，为必免此现象发生，I层不宜过厚，但如太薄，又易造成吸光不足。为克服此困境，此类型光电池长采多层结构堆栈方式设计，以兼顾吸光与光电效率。

这类型光电池先天上最大的缺失在于光照使用后短时间内性能的大幅衰退，也就是所谓的SWE效应，其幅度约15~35%。发生原因是因为材料中部份未饱和硅原子，因光照射，发生结构变化之故。前述多层堆栈方式，亦成为弥补SWE效应的一个方式。

非晶型硅光电池的制造方式是以电浆强化化学蒸镀法（PECVD）制造硅薄膜。基材可以使用大面积具弹性而便宜材质，比如不锈钢、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸镀速度缓慢，以及高质量导电玻璃层价格高，以至其总制造成本仅略低于晶型太阳能电池。至于多层式堆栈型式，虽可提升电池效率，但同时也提高了电池成本。综合言之，在价格上不太具竞争优势的前提下，此类型光电池年产量再过三年仍呈现快速成长。

2、铜铟镓二硒太阳能电池

铜铟镓二硒太阳能电池（Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells）光电池有两种：一种含铜铟硒三元素（简称CIS），一种含铜铟镓硒四元素（简称CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本，被许多人看好。在实验室完成的CIGS光电池，光电效率最高可达约19%，就模块而言，最高亦可达约13%。CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev，此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织效能。此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光电材料厚度不需超过1μm，99%以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。

CIGS光电池其结构有别于非晶型硅光电池，主要再于光电层与导电玻璃间有一缓冲层（buffer layer），该层材质通常为硫化铬（CdS）。其载体亦可使用具可挠性材质，因此制程可以roll-to-roll方式进行。目前商业化制程是由shell solar所开发出来，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投资与制造成本均相当高昂，粗估制程投资每平方米约需US$33。实验室常用的同步挥发式制程放大不易，可能不具商业化可行性。

另一公司ISET已积极投入开发非真空技术，尝试利用奈米技术，以类似油墨制程（ink process）制备层状结果，据该公司报导，已获初步成功，是否能发展成商业化制程，大家正拭目以待。

综合而言，CIGS在高光电效率低材料成本的好处下，面临三个主要困难要克服：
（1）制程复杂，投资成本高；
（2）关键原料的供应；
（3）缓冲层CdS潜在毒害。
制程改善，如前述有许多单位投入，但类似半导体制程的需求，要改良以降低成本，困难度颇高。其次原材料使用到铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当有限，如以效率10%的电池计算，人类如全面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有数年光景可用。镉（Cd）的毒性一直是人们所关注，硫化镉（CdS）在电池中会不会不当外露，危害人们，并不能让所有人放心，因此在欧洲部份国家，舍弃投入此型光电池研究。

3、镉碲薄膜太阳能电池（CdTe）

镉碲薄膜太阳能电池（Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe）在薄膜式光电池中历史最久，也是被密集探讨的一种之一。曾经在1982年时Kodak就首先做出光电效率超过10%的此类型光电池，目前实验室达成最高的光电效率是16.5%，由美国NREL实验室完成，其作法是将已建立多年的电池构造，在进一步增量修改，并改变部分材质。

典型的CdTe光电池结构的主体是由约2μm层的P-type CdTe层与后仅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收层主要发生于CdTe层，仅数微米厚及可吸收大于90%的光子。CdS层的上沿先接合TCO，再连接基材，CdTe上沿则接合背板，以形成一个光电池架构。目前已知为制备高光电效率CdTe光电池，不论电池结构如何，均需要使用氯化镉活化半导体层，方法上可采湿式或干式蒸气法。干式法较为工业界所采用。

关于CdTe光电池的薄膜，目前已有多种可行的工艺可采用，其中不乏具量产可行性的方法。已知的方法有溅镀法（sputtering）、化学蒸镀（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、网印（screen-printing）、电流沉积法（galvanic deposition）、化学喷射法（chemical spraying）、密集堆积升华法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中电流沉积法是最便宜的方法之一，同时也是目前工业界采用的主要方法。沉积操作时温度较低，所耗用碲元素也最少。

CdTe太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在2002年其全球市占率仅0.42%，2000年时全球交货量也不及70MW，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10%，究其无法耀升为市场主流的原因，大致有下列几点：
（1）模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53%，其中半导体材料只占约5.5%。
（2）碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。
（3）镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。

4、硅薄膜太阳能电池（Thin Film Silicon Solar Cells）

最早开发此型光电池是在70至80年代有大的突破。其硅结晶层的厚度仅5~50毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求不像硅晶圆型太阳能电池那幺高，材料成本可进一步降低。由于硅材料不像其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此类光电池硅层膜也不像硅晶圆型太阳能电池硅层那样厚度约300微米，为提高光吸收率，设计时需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜光电池不同之处。

此类型光电池之制备方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、化学蒸镀（CVD），包括低压与常压化学蒸镀（LP-CVD、AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（IA-CVD），以及热线化学蒸镀（HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界。

该光电池光电效率实验室最高已达21%，市场上只Astropower有产品，当基材使用石墨时，效率可达13.4%，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大致有三个方向：使用玻璃基材；使用耐高温基材；将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备100㎝2，光电效率达16%的组件。整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。

5、染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC）

此型光电池源自19世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过100年后的1991年，瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过7%的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。

产业结构

目前市面上销售的薄膜PV模组效率多在6~10%，面积则多在1平方公尺以下。其中，日本Mitsubishi Heavy的非晶硅太阳光电板面积最大（1.5625m2），稳定效率6.4%，输出功率达100Wp，每瓦售价不及3美元。而其他制作大面积、高效率的薄膜PV厂商还有Wurth Solar、Shell Solar、Showa Shell，其CIS太阳光电模组效率均高于13%，而Wurth Solar的产品功率达84.6W为最大，但售价亦相对较高，在3美元/Wp以上。目前业界最佳的大面积薄膜PV模组产品规格。

2005年全球薄膜太阳能电池，包括非晶硅、CdTe、CIS的模组产量约94MWp，较前一年增加49.2%，占全球PV产量约5.4%；其中，以非晶硅产品占最大宗，市占率为62.9%，其次为CdTe占约33.9%。看好未来市场前景，Mitsubishi、Kaneka、Unites Solar、Shell等大厂积极扩产，甚至吸引如日本Honda、台湾的鑫笙能源、大丰能源（原光华开发科技团队）等新加入者投入战场。

在主要厂商的经营动向方面，2005年全球薄膜太阳能电池产业以Kaneka年产能30MW为最高，其次为United Solar的25MW。2006年，美国市场在受到政府财税奖励的支持下，United Solar将扩大产能达到50MW，一跃成为全球第一大薄膜太阳能电池厂商，该公司更计划进一步扩产，至2010年产能将达300MW，而Kaneka则计划至2008年将年产能提高为70MW。

另一家欧洲太阳能电池大厂SCHOTT Sola亦宣布将扩大其非晶硅太阳光电模组产能，将投资6000万欧元给德国Jena新建生产线，预计2007年秋天年产能可达30MW。

不过，由于非晶硅太阳能电池具有光劣化的不稳定性，近年逐渐朝二层或多层接合太阳能电池（Multijunction cell）技术发展，以减缓照光后衰退的现象，且可吸收不同波段的太阳光谱，使光电转换效率获得提升。

其中，a-Si/μ-Si迭层（tandem）型薄膜硅太阳能电池技术的发展潜力颇被PV业界看好，例如Sharp、Kaneka、Canon等均积极发展。薄膜硅原料需求约为硅晶片型的1/100，且具有高吸收光特性，通常无光劣化现象，因此年度每Watt发电量较高，对消费者而言能源回收期可缩短。目前a-Si/μ-Si迭层型薄膜太阳能电池已有部份商品化，其关键技术在于快速沉积（>nm/sec）、镀膜品质与大面积制程的可靠度及重现性。

至于Shell Solar，在硅材缺货的压力下，已出售其在加州的单晶硅太阳能电池工厂给德国的Solar World。未来将积极发展CIS薄膜太阳能电池，其CIS试制品经TUV认证已可达13.5%，接近目前市面上贩售的多晶硅PV模组效率（14~15%）。不过CIS制程技术相当复杂，大面积控制及快速沉积技术为主要关键；而在制作元件的诸多层次中，尤以黄铜矿层（Chalcopyrite）为关键技术。

另一个隐忧是铟（In）及镓（Ga）元素，在地球上的蕴藏量有限。在其他半导体及光电产业竞相使用下，将来也有可能和现在的硅材一样，发生材料短缺的问题，从而影响CIS/CIGS的市场成长。

此外，美国First Solar亦已成功量产CdTe太阳能电池，并稳定维持每年产量约33万个PV模组。未来亦将积极扩厂，预计产能将由2005年的约20MW，增为2006年的40MW，以及2007年的75MW。镉污染问题是CdTe薄膜太阳能电池市场的隐忧，不过目前First Solar已开始推行CdTe太阳能电池回收/再生机制，将有助于CdTe太阳能电池市场的发展。

市场机遇及挑战

太阳光电池产业在过去几年呈现35%的年成长率，市场以硅晶圆光电池为最主要。未来，硅晶圆太阳光电池是否仍能持续主导市场？由薄膜电池的进展来看，答案可能是否定的。因为薄膜电池技术进展很快，就降低成本而言，有很多空间。硅晶圆式光电池技术发展已臻成熟，其主要成本来自于硅晶圆材料，能进一步压缩成本的空间相当有限。加上薄膜式光电池所使用材料较少，故整体而言薄膜式光电池是较为环保且具能源效率的产品。

但是，一个不容置疑的事实是，薄膜太阳能电池的普及并不是短期内可以看到的。由于薄膜太阳能电池相对硅晶片型产品而言，因转换效率较低，单位面积发电量小，因此若要产生同样的输出功率，薄膜PV模组需要更大的装置面积，在土地与施工成本方面较为不利。另外，虽然薄膜太阳能电池可以节省许多材料成本，但其生产设备却比硅晶片型PV贵三倍以上，致使目前薄膜太阳能电池的单价，并不像大家想象的那样享有明显的价格优势。

根据美国太阳能产业市调研究机构Solarbuzz调查，2006年3月市面上贩售的薄膜太阳光电模组最低价为3.76美元/Wp，而多晶硅PV模组最低价为3.92美元/Wp、单晶硅则为4.05美元/Wp。显示出目前薄膜太阳能电池虽然较便宜，但是与硅晶片型商品的差价仍然有限。

由于设备费用约占薄膜PV制造成本的三成，就25MW的非晶硅PV生产线而言，设备投资额为7~9千万美元。生产设备投资额过高，因而阻碍薄膜太阳能电池市场的成长。

若依照目前的发展趋势，在同时考量各种太阳能电池技术的成本与光电转换效率后，一般认为短期内PV市场对硅晶片型太阳能电池的接受度还是较高。既使到2020年，世界太阳能电池市场中薄膜技术的占有率也才提升至约22.9%。不过，薄膜的优点是较能吸收漫射光源，适合大面积生产，与建材整合成BIPV模组，或做成可挠性太阳能电池，应用于消费性电子产品。未来若有厂商能够提供标准化的镀膜设备及自动化生产线，将会使薄膜PV产品的制造成本大幅降低。

目前，许多TFT（Thin Film Transistor）设备厂在PV前景看好的情况下，也开始注意这块市场，LCD显示器制程中也会利用到非晶硅镀膜技术。因此若能将LCD制程中的阴极喷镀法（Sputtering）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）设备顺利移转到薄膜PV产业，将有助于降低薄膜太阳能电池生产线的投资成本与风险，对未来薄膜PV市场的扩大将十分有利。

预估未来2~3年内，全球硅材供应量仍难以追上市场需求，在硅晶片型太阳能电池上游材料有不足之虞时，薄膜太阳能电池产业正好可以藉此机会扩充产能，抢占市场，并通过生产规模扩大使制造成本下降。