太陽能用電欲普及 電池轉換效率是關鍵

太陽能發電是最受看好的替代能源。茂迪

能源短缺的現實使然，加上節能減碳趨勢及環保意識抬頭，替代能源的尋找愈顯殷切。在各種可能選擇中，太陽能一向是最受期待的技術，由歐盟太陽能產業協會(EPIA)所公佈的報告可以看出，全球太陽能電池市場將持續成長。

EPIA針對2011年至2016年的全球太陽能電池市場所提出的研究報告，分別根據穩定狀況及政策驅動這兩種不同的條件提出數據。首先，在穩定狀況的條件下，EPIA預測至2016年，全球累計太陽能裝機容量可達到207.946 GWp。另在政策驅動的條件下，裝機容量則可達342.810GWp。顯見全球太陽能電池市場在未來5年內將持續高速發展。

然而，太陽能裝機容量要維持成長態勢，其中一個最重要的關鍵就是成本，唯有價格能與現有市電不相上下，才能提升使用太陽能的意願，而太陽能電池價格的最重要決定因素又在於轉換效率，因此目前各家太陽能電池業者的首要研發目標仍是轉換效率的提高。

太陽能光電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能，其基礎原理為半導體材料及光電轉換理論。現階段太陽能產業依技術可區分為矽晶、薄膜、聚光型、染料敏化等四大類。其中矽晶太陽能電池約佔近九成市場，為市場主流技術，轉換效率高。

至於其他三種技術，薄膜型轉換效率雖低，但因美觀、弱光發電等特性，因此仍佔有約一成市場。聚光型太陽能方面，高聚光型(HCPV)有高轉換效率及低平均化電力成本(LCOE)等優勢，極具開發價值與發展潛力，已吸引美國、歐洲、日本及台灣等地的太陽能業者和研究單位投入研發。

染料敏化則因轉換效率較低，因此雖然技術進入障礙不高，但目前仍未完全進入商品化階段。目前晶矽太陽能電池效率為25%和20%，薄膜太陽能電池為10%~18%，染料敏化太陽能電池(DSSC)為10.4%。高聚光型(HCPV)方面，日本東京大學研究團隊曾製作出效率達20.3%的成果。

CIGS技術突破薄膜型轉換效率

目前市場上可見的太陽能電池，主要就是矽晶型(Wafer-Based)與薄膜型(Thin-Film)兩大類。而決定這兩者市場表現的主要因素之一就是轉換效率的高低。也就是因為薄膜型太陽能電池轉換效率較低，導致薄膜型太陽能電池雖具備低成本與可大型化的優點，仍無法取得較高的市場佔有率。許多廠商認為，若能有效改善轉換效率與穩定性的問題，未來薄膜型太陽能電池仍有其市場性。

目前薄膜太陽能電池主要有非晶矽(a-Si)、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CIGS)，就實驗室數據來看，各種單一電池的效率分別為12.5%、16.5%、19.9%。正式發表的模組轉換效率則分別為8.2%、10.9%、13.4%，其中以CIGS太陽能電池模組效率為最高。甚至CIGS薄膜電池製造商MiaSole的最佳産品轉換效率已達15.7%，為目前市場上最高的薄膜技術轉換效率。MiaSole已於2013年初由大陸漢能控股集團併購。

目前業界普遍看好的薄膜型太陽能電池技術非CIGS技術莫屬，因為就轉換效率而言，CIGS電池是薄膜太陽能技術中轉換效率最高的，再者，則是在實際操作情況下，CIGS電池的發電量高出矽晶太陽能電池約20%~30%左右，因此，以CIGS電池所發電的均化成本(Levelized Cost of Electricity；LCOE)可低於矽晶太陽能電池。

業界預期隨著CIGS薄膜太陽能技術的進展，轉換效率將能進一步提升，特別是在大規模的GW級量產後，CIGS技術的成本優勢將更能充分發揮出來，LCOE也會更低。事實上，CIGS技術被視為能快速推動太陽能發電價格下降的重要推手。目前美國的Global Solar、德國的Solibro、BOSCH以及日本的Solar Frontier等，都已大規模量產CIGS技術。

轉化效率高的HIT太陽能電池

除了薄膜型太陽能電池技術備受期待外，HIT(Heterojunction with intrinsic Thinlayer)太陽能電池也頗受矚目。HIT太陽能電池是採用晶體矽基板和非晶矽薄膜製成的混合型太陽能電池，此技術具有製備技術溫度低、轉換效率高、高溫特性好等特點，是一種低價高效電池且轉化效率高，意味它更加具有可與傳統矽晶太陽能電池相匹敵的優勢。

日本松下是HIT技術的主要廠商之一，該公司所製造的HIT太陽能電池模組轉換效率可達19%，單一太陽能電池轉換效率達21.6%。松下公司馬來西亞新工廠自2013年2月已開始供應該HIT太陽能電池。該公司為東海大學太陽能車隊提供HIT太陽能電池技術支援，幫助該車隊參加全球最大的太陽能車賽「世界太陽能車挑戰賽2013」。

再者，日本KANEKA也於2011年底宣布與比利時IMEC共同開發採用銅(Cu)而非銀(Ag)的6吋HIT電池，轉換效率達21%以上。該產品在單元上形成氧化物類透明導電膜，再以鍍銅(Cu)技術形成集電極。KANEKA近期頻繁與台廠接洽，希望透過技術與生產結盟的方式，結合台廠的力量共同投入該領域。

染料敏化技術轉化效率可達15%

除上述技術外，染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell；DSSC)或稱染料增感型太陽能電池，具有原料成本低、製程容易與製程設備簡單等優點，是第三代的奈米薄膜太陽電池，未來可降低太陽電池發電成本至美元0.2/Wp以下，為所有太陽能電池中製作成本最低者，僅約傳統矽基材太陽電池成本的1/5~1/10。

染料敏化太陽能電池具有各項優點，但是最致命的缺點就是轉換效率太低。目前有人使用低分子量的DBS為凝固劑製作出電解液，所製造出的半固態染料敏化太陽能電池的光電轉換效率為6.1%，與理論效率33%的差距頗大。

另外，瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)教授邁可格蘭澤爾(Michael Gratzel)的研究小組，以及英國牛津大學(Universityof Oxford)和日本桐蔭橫濱大學的研究小組，也分別獨立開發出了轉換效率超過15％的固體型染料敏化太陽能電池(DSSC)。

這種固體型染料敏化太陽能電池是採用鈣鈦礦相的有機無機混合結晶材料CH3NH3PbI3作為染料敏化材料，並用由有機材料構成的空穴輸送材料(HTM)取代了電解液。利用此技術所製作的太陽能電池，實驗室轉換效率已能與結晶矽型太陽能電池相匹敵。

為了提高染料敏化太陽能電池的轉換效率，相關研究人員正試著找尋新材料或改變結構等，一切就是為了把染料敏化太陽能電池的光電轉換效率提高。只要能解決這個問題，以染料敏化太陽能電池的特性來看，將能大幅擴展太陽能電池的應用範圍。高染料敏化太陽能電池材具備可撓性、多彩性與可透光性等特性，因此適合建材化作為建築窗材，可用於玻璃帷幕大樓，同時作為遮陽、絕熱及發電利用的功能，達到建築物節能效益，可應用於建築屋頂、外牆發電用途等。

此外，DSSC用一般室內光線即可充電，可作為3C產品電池的輔助商品，適用於可攜式電子產品，如電子計算機、手錶、電子字典、手機等用電量較小的產品，未來應用可能會直接附在手機上，或做成可摺疊的外接式裝置，或結合紡織品採用衣物塗佈方式做為隨身發電使用，市場商機潛力龐大。

在所有的替代能源中，太陽能被認為是最具潛力的新興能源技術選項。矽晶太陽能電池的光電轉換效率為目前最高的，但在價格方面無法與市電價格抗衡。薄膜型太陽能電池的整體發電量遠高於矽晶太陽能電池，且在低照度之下仍然有高效率的展現，但轉換效率較低；而有機太陽能電池若能進一步提高轉換效率並解決壽命問題，未來在市佔率上將有所進展。

整體而言，無論是何種太陽能技術，共同的目標就是提高太陽能電池的光電轉換效率，如此才能降低成本並提升使用普及率，造福大眾。