在太阳光电系统之成本结构中,以太阳能模块成本最高,约占六成以上,而太阳能模块中约七成的成本是太阳能电池,因此如何强化太阳能电池技术发展、有效降低成本,便是降低整体太阳光电系统成本、促进太阳光电更加普及应用的关键。
目前太阳能电池的主流是硅晶圆太阳能电池,占了总产量的九成左右;然而近年面临主原料硅材短缺的压力,传统硅晶圆太阳能电池难以符合快速成长的太阳光电市场需求,使得减少或不需硅使用量的薄膜太阳能电池成为近来瞩目的焦点。
薄膜太阳能电池种类众多,主要包含有硅薄膜类(非晶硅a-Si、微晶硅 c-Si、堆栈型a-Si/ c-Si等)与化合物半导体类(铜铟镓硒CIS/CIGS、碲化镉CdTe),与新概念的染料敏化类。虽然目前薄膜太阳能电池的市占率不到一成,其转换效率、量产良率、设备成本等问题也待克服,然而薄膜太阳能电池具节省材料、可在价格低廉的玻璃、塑料或不锈钢基板上制造、可大面积制造、可制成可挠性、容易搭配建筑外墙施工应用弹性大等优点,已广被各太阳光电业者、研究机构所看好将是次世代的太阳光电明星产品。
随着太阳光电市场的急遽增长,全球太阳电池的产量也以平均年成长40%的速度快速增加,到了2006年时年产量已达2,536MW;而薄膜太阳能电池虽然总产量无法与传统硅晶圆式相匹敌,但其2003-2006年的年平均成长率高达60.5%,更甚于总体太阳能电池的成长(40%),于2006年产量达到192MW,市占率为7.6%。
薄膜技术中以非晶硅太阳能电池为最大宗,碲化镉太阳电池产量成长最快,铜铟镓硒太阳电池深具成长潜力;但一般预估,薄膜太阳能电池至2010年将会步入较佳的量产发展,市占率将提高到约12-20%,总产量可达1GW以上。而染料敏化太阳电池量产的脚步较慢,预计要到2030年才能有较佳的技术成熟度与量产表现。
即使是原生产硅晶圆太阳电池的厂商,也不能忽视薄膜太阳能电池的发展潜力而多有平行发展或相关投资研发计划。以2006年全球前15大太阳能电池生产厂商观之,除了排名13的First Solar是专产碲化镉薄膜太阳能电池之外,其它14间厂商皆以生产硅晶圆太阳能电池为主力,而其中又至少有八家有跨入薄膜领域的动作或计划,这些厂商多以投入和原硅晶圆技术关联较高的硅薄膜技术领域居多。
目前有商业化量产的薄膜太阳能电池,以碲化镉技术的First Solar单一厂商的产量最大,而硅薄膜技术家数较多总产量最大为领导技术,铜铟镓硒技术正在兴起投入家数虽多但实际量产者尚寡,而染料敏化技术尚未真正量产仍以研发为主。
综合而言,薄膜太阳能电池与传统硅晶太阳电池不一定处于相互取代的地位,两者间各有不同的发展空间及特性。更重要的是,多元化技术与产品的薄膜太阳能电池扩展了太阳光电的可应用领域,有助于整个产业的普及化。
目前薄膜太阳能电池可用多种镀膜方法,未来的成功发展将不会只凭借单一种材料或单一种制程技术。薄膜太阳能电池技术具有降低成本的高潜力,在规模量产下每瓦的制造成本与单位售价可低于硅晶太阳电池,根据对各类太阳光电模块技术制造成本的推估,硅晶圆式太阳能模块成本即使至2015年每瓦成本也仍须$1.2~$1.5,要达到$1/W的具竞争力目标恐怕不容易,但薄膜模块至2010年即有可能下降到$1/W;然而效率一直是薄膜太阳能电池最需要强化的关键。
以商业化模块来看,名列前茅者仍为硅晶圆太阳光电技术(17.7%),薄膜技术中以WurthSolar的11%CIS模块表现最佳,其次是First Solar的9.4%CdTe模块、Sharp的8.5%的硅薄膜模块,因此薄膜太阳光电技术在商业化的效率表现上仍不及现世代太阳能电池,仍有待量产技术强化之处。
台湾在太阳能电池产业上仍缺乏上游材料自有供应体系,发展太阳光电产业很容易受制于缺料瓶颈,因此转换至原料成本较低的薄膜太阳能电池将是未来发展的方向之一。目前台湾太阳光电产业仍以硅晶圆太阳能电池厂商为主,薄膜太阳能电池投入厂商仍为少数,正式宣称投入者大约十家,并以投入硅薄膜太阳能电池技术为主。
但是国内厂商开始研发薄膜太阳能技术的时间远落后于国外,尚无厂商具足够竞争力的量产技术;此外,除了技术效率等因素需强化,薄膜太阳能电池在产业上发展最大瓶颈为设备成本过高,设厂成本约为硅晶圆技术的四到五倍。
薄膜太阳能电池与TFT-LCD其实有若干类似之处,然而薄膜太阳能电池制程尚未标准化,关键制程设备单价高昂,对于设备技术要求比TFT-LCD低,因此设备设计不能完全移植TFT-LCD或半导体作法,目前国内投入薄膜领域的厂商仍以购买整厂输出的设备技术为主,因此未来国内厂商仍须积极加紧研发脚步,摆脱关键设备与技术受限于人的困境,以抓住庞大商机,建全产业发展体质。(作者是工研院IEK/ITIS计划产业分析师)