PROGRESS OF HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON ......Journal of Engineering, National Chung Hsing...

Journal of Engineering, National Chung Hsing University, Vol. 24, No. 2, pp. 79-91 79

PROGRESS OF HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON THIN FILM SOLAR CELL AND ITS APPLICATIONS

Shui-Yang Lien1,＊　Chia-Hsun Hsu2　In-Cha Hsieh2

ABSTRACTThis article reviews the progress of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film solar cells.

First, the basic material properties and the deposition methods of a-Si:H are described. Next, the device structure and the key fabrication factors of a-Si:H thin film solar cells are presented to clarify the role of each layer in the device. The relationships between the fabrication factors and the device performances are also shown. On the other hand, the P1 ~ P3 laser scribing methods for fabricating the series-connected a-Si:H solar modules are introduced. In addition, we present the use of additional P4 laser scribing process followed by P1 ~ P3 processes to create image-patterned solar modules. This type of image-patterned module has great potential in applications of building integrated photovoltaics and can be expected to increase the competiveness of a-Si:H photovoltaic products.

Key words: hydrogenated amorphous silicon, thin film solar cell, building integrated photovoltaic, laser scribing, image-patterned.

氫化非晶矽薄膜太陽電池的發展及應用

連水養1,*　許嘉巡2　薛英家2

摘　要

本文回顧氫化非晶矽太陽電池在近年來的發展，首先在薄膜方面介紹了氫化非晶矽材料的基本特性以

及目前主要的製備方式，接著在電池元件方面則說明了製作氫化非晶矽太陽電池採用的主要電池結構與關

鍵技術，釐清在電池中各層所扮演的角色，以及其與元件效能的關係。另外在氫化非晶矽薄膜太陽電池模組

方面，除了一般的P1 ~ P3雷射劃線的串聯製程，本文亦介紹P4雷射製作圖像化氫化非晶矽薄膜太陽電池模

組，以及其在建材一體方面的巨大應用潛力，並發揮氫化非晶矽薄膜太陽電池自身具有的特色，開創產品附

加價值以提升商業化競爭力。

關鍵詞：氫化非晶矽、薄膜太陽電池、建材一體、雷射劃線、圖像化。

1 Department of Materials Science and Engineering, DaYeh University, ChangHua 51591, Taiwan, R. O. C.; 大葉大學材料科學與工程學系2 Graduate Institute of Precision Engineering, National Chung Hsing University, Taichung 40227, Taiwan, R. O. C.; 國立中興大學精密工程研究所＊ Corresponding author, E-mail: [email protected]

80 Progress of Hydrogenated Amorphous Silicon Thin Film Solar Cell and Its Applications

一、簡　介

矽為地球上含量相當豐富的元素，且受益於積

體電路技術，使得矽基型太陽電池在各種類型太

陽電池技術中，發展最為長久與成熟，全球太陽電

池市占率超過八成。矽基太陽電池依材料區分主要

可分為分單晶矽、多晶矽及氫化非晶矽太陽電池三

種。傳統的單晶片太陽電池轉換效率高，電池轉換

效率於2012年最高達25%，封裝後商業化模組效率

為19% ~ 22%，然而其製程複雜、冗長且需要高溫。

多晶矽太陽電池不需要經過柴式或浮動帶熔融長

晶法，製作上相對簡單，因矽晶片純度較低，造成

較低的轉換效率約為20.4%，量產商業化模組約為

15% ~ 18%。氫化非晶矽薄膜型太陽電池能有效的

減少材料的使用量，如圖1所示，其材料成本約為

單晶矽的1/600倍 [1][2]，因此比較不受上游矽原料

價格波動所影響，且產品利潤比晶片型高。另一方

面，氫化非晶矽薄膜太陽電池具有其他優勢如：可

大面積製作、僅需低溫製程（< 300 °C）、可應用於

便宜的基板如玻璃、塑膠及其他可撓式基板上。然

而氫化非晶矽薄膜太陽電池轉換效率目前最高僅

10.4%，商業化模組轉換效率為6% ~ 8%，與單、多

晶矽太陽電池仍有一段不小的差距，若不想失去產

品競爭力，除了積極提升轉換效率外，創造出獨特

的產品價值及市場需求也是一項重要的課題，這仰

賴於對氫化非晶矽材料本身特性及其與單、多晶矽

材料差異性的瞭解。

在不同的溫度與入射光強度下測試單晶矽與

非晶矽薄膜太陽電池模組之轉換效率 [3][4]，單晶

矽太陽電池對溫度的影響較大，當溫度升高時，其

效率較急速往下降，而氫化非晶矽薄膜太陽電池模

組下降幅度比單晶矽的來得少。另外，從不同之入

射光強度對於單晶矽與矽薄膜太陽電池模組轉換

效率的影響相關研究中 [5][6]，亦可以發現矽薄膜

太陽電池只要有些微的入射光強度及可以達到很高

比率的轉換效率，當入射光大於40 mW/cm 2（標準

光源為100 mW/cm2）時幾乎就可以達到100%的電

池本身額定轉換效率，但單晶矽太陽電池模組則

受光強度的影響很大，微弱的光線是不足以使單晶

太陽電池模組發電，所以測試結果顯示，氫化非晶

矽薄膜太陽電池模組比單晶太陽電池模組每天多

出30%的電池動作發電時間。以發電時間及應用來

看，薄膜太陽電池模組具有很大的優勢。

氫化非晶矽薄膜太陽電池其光電轉換效率的

進展如圖2所示 [7 ]，由圖中可以發現：從1976年Carlson等人製作出2.4%轉換效率之單接面p-i-n型氫化非晶矽太陽電池之後，效率隨著研究時間的

累積而改進，其中以美國RCA公司研究成果最為豐

碩。直到1986年由Solarmax發表超過6%轉換效率

之氫化非晶矽薄膜太陽電池後，氫化非晶矽薄膜太

陽電池開始突飛猛進，其中以United Solar公司研

究最為突出，從1991年至1996年之間將氫化非晶矽

薄膜堆疊型太陽電池效率改善提升至10%以上。但

由於氫化非晶矽材料受光後會出現膜質劣化等問

圖1　單晶矽太陽電池與矽薄膜太陽電池厚度比較圖

Journal of Engineering, National Chung Hsing University, Vol. 24, No. 2 81

題 [8]，使電池光電轉換效率在光照一段時間後有

大幅下降（約30% ~ 40%），因此目前商業氫化非晶

矽電池模組之穩定效率約只有6% ~ 8%，每瓦電力

將要求較大之裝置空間以及較高之裝置成本。降低

光致衰化效應可透過幾個方式，例如優化沉積製程

參數、減少本質層薄膜厚度或是使用多接面結構。

目前氫化非晶矽太陽電池市占率約有8% ~ 10%，持

續提高電池本身效率及降低光致衰化仍是非晶矽

太陽電池技術發展的重要課題。

二、材料特性

結晶矽具有長程有序（> 1 cm）排列的單晶結

構，而非晶矽有序排列程度小於1 nm而呈現非晶型

態，原子排列無規則性使該材料在吸收光子轉換成

電子的過程中，動量守恆不需要聲子協助而可視為

直接能隙材料，所以非晶矽在可見光區域內具有非

常高的光吸收係數 (104~106 cm-1) [9]，約比單晶矽

高兩個數量級左右。然而非晶矽有大量的矽-矽斷

鍵即懸浮鍵（密度可高達1019 cm-3），在材料中可視

為缺陷或載子復合中心，使非晶矽則因此很難被摻

雜成p型或n型。為瞭解決這個問題，採用的方法是

利用氫原子來鈍化非晶矽薄膜內部的懸浮鍵，氫原

子直徑非常小所以可以輕易進入晶格中填補懸浮鍵的

目的。通常在這些氫化非晶矽薄膜內含有5% ~ 10%的氫原子，而薄膜的缺陷密度則可由1019 cm-3降低

到1015 cm-3，在這樣的缺陷態數量級下對氫化非晶

矽實施摻雜便可達到效果。

另外，氫化非晶矽可以藉由添加鍺或碳等來調

整其能隙的大小 [10][11]，例如藉由調整鍺和碳添

加的比例，氫化非晶矽能隙可達到1.1 ~ 2.2 eV的範

圍，但是通常會伴隨較低的電性。因此透過這樣的

概念來調整材料能隙的大小，能使得元件更符合我

們的設計需求。

三、氫化非晶矽薄膜沉積方式

氫化非晶矽最重要的特質之一是它的沉積溫

度範圍較低，可從室溫到約400 °C，這使氫化非晶

矽可以應用在一些需要低溫沉積的基板如玻璃、金

屬、塑膠等，而且也可能使用在低價格的PET基板

上，減低材料及模組成本。在沉積設備上最典型的

設備是13.56 MHz電漿輔助化學氣相沉積 [12]，在

製程中使用氫氣與矽甲烷(SiH4)來做為主要工作氣

體，一般來說沉積速率為1 Å/s，以此速率來推算沉

積一個300 nm的電池所需時間超過50分鐘。提高

圖2　各類類型太陽電池效率發展推移圖


沉積速率一直是非晶矽電池工業或商業上欲提升

的重點之一，目前在實驗室階段採用的方法是將電

漿頻率調高，如超高頻率、微波等，或是採用高壓

沉積方式來達成。

圖3為電漿輔助化學氣相沉積矽膜之反應成

長機制圖 [13]，在電漿中矽甲烷可能的解離前驅物

有SiH、SiH2、SiH3及Si等。但在這些前驅物自由基

到達薄膜表面時還會經歷互相碰撞及復合等二次

反應，不同的製程參數會產生不同數量及種類的

自由基，所以不同的自由基會在薄膜表面起不同的

作用，基本上電漿系統裡，薄膜表面有三種反應機

制，如薄膜沉積、轟擊效應及選擇性蝕刻。前驅物

自由基到達基板形成沉積作用，但在沉積的同時也

存在離子或能量較強自由基的轟擊作用，如果沉積

作用大於轟擊效應則沉積速率便會增加，一旦轟擊

效應增大，會對薄膜造成撞擊及蝕刻，這種現象會

影響薄膜特性。另外一種效應是選擇性蝕刻，這種

效應是矽膜結晶重要的效應，如果氫原子能到達薄

膜表面就能與薄膜裡的較弱鍵結合形成氣體分子

被系統抽走，如SiH3 + H → SiH4、H + H→ H2等，

但由於氫原子的平均自由路徑較短，所以如果要讓

選擇性蝕刻效應明顯則須縮短電極間距離。

四、氫化非晶矽太陽電池關鍵技術

以玻璃為基板的氫化非晶矽薄膜太陽電池結

構如圖4所示，其中各層薄膜品質對於元件效率有

圖3　電漿輔助化學氣相沉積矽膜成長機制示意圖

圖4　氫化非晶矽太陽電池中各層薄膜品質與元件效率的關係


很大的關係，而光捕捉設計亦可增加特定波長光的

光學路徑，使該波長光線被吸收量增加，此外，元

件中在各層介面上常有能帶匹配或歐姆接觸等問

題，這些使得材料選擇上衍伸出許多考量。

4.1　抗反射薄膜若欲降低基板之反射率，抗反射薄膜之折射

率就必須小於基板之折射率，而在膜厚為四分之

一波長的奇數倍時，反射率達到最小。如果考慮光

線由空氣進入玻璃基板，已知空氣的折射率(n = 1)及玻璃的折射率(n = 1.52)，從空氣及基板界面發

生反射，則雙面玻璃造成的反射大約是7% ~ 8%。

若想避免反射所造成入射光損失，也就是讓反射

率趨近於零，由理論推知所需材料的折射率須低

於1. 22。目前常使用之抗反射膜材料有以下幾種

MgF 2、SiO2、Al 2O3、CeF3、ZrO2、TiO2、Ta 2O5、

ZnS等，舉例來說若利用SiO2 (n = 1.4)來做為抗反

射薄膜則可發現反射率下降了3%，進而提高入射

光進入電池的量，提高元件之短路電流值。

4.2　透明導電膜前電極非晶矽電池通常在兩個地方會用到透明導電

膜，分別為電池入光面作為前電極與背光側和金

屬一同作為背電極之用。作為窗口層與前電極的

透明導電膜必須具備高穿透性、低吸收係數與高

導電性。另外，具有光捕捉功能也是非常重要的，

因為在電池中吸收層厚度通常都受到一定的限制（< 300 nm），例如為了減小光致衰化帶來的影響，

吸收層厚度便須盡可能地降低，這造成吸收層無

法充足吸收入射光，而光捕捉技術便可以彌補這項

缺點。常見的光捕捉技術是在透明導電膜上進行

表面粗糙化，如圖5(a)，當粗糙化結構尺寸相當於

光波長時會產生散射效應，增加光在電池內行走

的路徑。以目前氫化非晶矽太陽電池技術來說，透

明導電膜所需滿足的基本條件為：(1) 可見光穿透

率大於80%、(2) 霧度大於18%、(3) 片電阻值小於

10 Ω/□、(4) 為了達到此低片電阻值應選擇高遷移

率而非高載子濃度，以避免在紅光區的載子吸光效

應、(5) 化學穩定性要高以應付後續的電漿製程。

以目前來說工業上所使用的標準透明導電膜材料

為Asahi-U型摻雜氟的二氧化錫，其光穿透率平均

83%、霧度18%、片電阻值8 Ω /□，而摻鋁之氧化鋅

是另外一種被視為Asahi-U的替代方案，在光學及

電性表現優異，惟化學蝕刻穩定性及再現性需進一

步克服。另外我們可以搭配上述兩種材料製作雙層

透明導電膜如圖5(b)，這樣能使霧度及薄膜電漿穩

定性提高。

4.3　p層氫化非晶矽薄膜p層薄膜位於入光側但其吸收光線後不提供

光電流，應盡可能降低此層吸光量，故其厚度非常

薄，約為10 nm，值得注意的是該厚度值已經幾乎

接近極限值，因為再減低厚度便無法提供足夠的內

建電場。除此之外p層還需有較低的光吸收係數，

為了達成這項條件，常見有兩種作法：(1) 摻雜碳進

入p型非晶矽薄膜中形成非晶矽-碳合金，隨著碳比

例增加，薄膜能隙值也會隨著提高，進而降低p層對

於可見光的吸收。但是由於氫化非晶矽薄膜在摻雜

圖5　光散射示意圖與透明導電膜粗糙表面SEM圖


過後往往伴隨缺陷密度增多，會使薄膜電性變差而

失去p型摻雜的特性，通常非晶矽-碳合金薄膜能隙

增加到1.9 eV左右便會面臨電性不佳的問題。(2) 在氫化非晶矽中嵌入奈米晶矽，通過調整製程氫稀釋

比可以控制結晶大小，且薄膜能隙會隨晶粒變小而

變大，在晶粒小於5 nm時則因奈米侷限效應，可使

薄膜能隙增加到2 eV以上。提高p層能隙除了減少

其光吸收外，更重要的是能使元件整體開路電壓上

升，這對電池光電轉換效率提升有比較大的貢獻。

4.4　i層非晶矽薄膜氫化非晶矽太陽電池無法直接採用p-n接面，

因為除了材料本身的缺陷之外，p或n型摻雜更使材

料的缺陷態提高，大大地限制了自由載子的擴散長

度（< 0.1 μm），若採用如此小的擴散長度來設計

電池則光吸收量將顯得不足。取而代之，氫化非晶

矽薄膜太陽電池採取p-i-n型結構，其中i層為吸收

層吸收光子產生電子電洞對，進而因p、n形成的內

建電位差而使光生載子對分離。i層厚度是一個非

常重要的參數，太薄將使得吸光量不足，然而通常

來說不超過0.5 μm，因為薄膜內的缺陷會降低內建

電場，故當薄膜厚度超過空間電荷區寬度後，額外

的i層厚度將無法對於光電流有所幫助。現今氫化

非晶矽電池其i層約為0.3 μm，傾向於使用較薄的

i層厚度以減低光致衰化效應，而相對應損失的光吸

收量則以光捕捉設計來彌補。

4.5　緩衝層因p層使用較高能隙(1.9 ~ 2 eV)，與i層能隙值

1.6 ~ 1.8 eV有一段落差，能帶上在p/i處出現不連

續，使得該處復合速率很高，降低了光電流與電壓。

為了減緩此項缺點，則可在該接面處引入一緩衝

層，使得該處的能帶較為連續，如圖6所示 [14]。根

據此一概念，我們可以在製程上沉積緩衝層時逐漸

減少碳的摻雜比例，如此一來便會形成漸進式的能

帶而取得最好的效果。

4.6　背面反射層與背電極在電池背部使用透明導電膜／銀雙層薄膜是

考量到(1) 矽膜與金屬的接觸較差，在電池電流-電壓曲線上常會出現典型的s曲線，即意味串聯電阻

值相當高，而退火製程也常常會有金屬擴散至矽膜

內的疑慮，插入此層TCO可以明顯改善此處介面，

使電池填充因子上升；(2) 300 nm厚度的i層通常不

足以將入射光完全吸收，長波長光線由於吸收深度

較深，使得光線往往穿透i層而來不及吸收，這時需

要一反射鏡來將光線反射達到i層二次吸收。雖然

銀本身具鏡面效果，但使用摻鋁氧化鋅／銀雙層薄

膜可以使反射效果進一步提升20%左右 [1]。

五、光致衰化效應

1977年 Staebler和Wronski首先提出氫化非晶

圖6　p/i介面與緩衝層能帶示意圖，其中buffer1 ~ 3為不同碳比例之緩衝層


矽薄膜受長時間光照，因為氫化非晶矽裡的矽原子

之間如排列較不穩定的矽-矽鍵、矽-氫鍵，容易斷

裂而形成懸浮鍵 [8]。研究指出氫化非晶矽中，光照

會在材料能隙中產生亞穩能態缺陷或載子復合中

心（圖7為亞穩能態缺陷形成的示意圖），使得光生

載子復合機率增大，減少光生載子的壽命，同時增

加太陽電池空間電荷量，因此而降低 i層內電場強

度和光生載子的自由漂移距離，但經過2個小時退

火（溫度150 ~ 200°C）後可恢復為光照前性質，這

種效應稱為Staebler-Wronski Effect。由於氫化非晶矽薄膜存在著光致衰退現象，

影響太陽電池的進一步發展和應用，為了克服其光

致衰化效應，各國研究者都作出了不懈的努力，對

薄膜進行穩定性和光敏性測試和研究，不僅使人們

認識到製程製備對薄膜結構和光電特性的影響，

而且藉由製程修改獲得較為理想的結構和性能。

大量研究表明，氫化非晶矽薄膜中的矽-氫鍵對薄

膜光電性能起著重要的作用，因為氫化非晶矽薄膜

光照引起的光電導衰退現象，就與薄膜中氫含量

和矽-氫鍵合模式緊密相關。氫可以鈍化非晶薄膜

中大量存在的懸浮鍵，降低薄膜的缺陷密度，減少

能隙中的非輻射復合中心，從而顯著提高薄膜的穩

定性。若氫以單氫鍵形式存在，可以使氫化非晶矽

懸浮鍵數目減少，有利於提高氫化非晶矽薄膜的光

敏性能；而多氫鍵SiHx(x = 2 ~ 3)則常常起作光生

載流子的俘獲中心，並且直接決定了薄膜氫含量的

高低，進而影響薄膜的穩定性，不利於光敏性的提

高，且會減少元件短路電流的輸出。

六、多接面型太陽電池

光致衰化現象是氫化非晶矽電池技術遭遇的

最大瓶頸，使得氫化非晶矽具有的高效率與低成本

兼具的發展目標受到嚴重阻礙，然而，將氫化非晶

矽太陽電池應用多接面型電池結構中，除了進一步

能提升效率之外，更大幅地減緩了光致衰化所帶來

的問題。另外，多接面型太陽電池能更有效地利用

太陽光譜，可以透過將不同能隙的材料串接起來，

達到分段吸收太陽光的目的。目前單接面型氫化非

晶矽太陽電池穩定效率在小面積元件上約為9.3%，

而雙接面太陽電池則為12.4%，三接面型太陽電池

更達到了13.0%。圖8為雙接面太陽電池的結構示意

圖8　雙接面堆疊型太陽電池結構與電子電洞示意圖

圖7　氫化非晶矽光致劣化所產生之亞穩態缺陷示意圖(a)照光前、(b)照光後


圖，元件開路電壓為上、下兩子電池開路電壓之總

和，而元件短路電流由兩子電池短路電流之最小值

所決定，因串聯結構，上層電池之電子I2必須與下層

電子之電洞I3抵銷，為了達成這個目的，在兩子電池

接合處會引入穿隧接面，電子穿隧效應使電子在低

能階可以跳過高能障與另一側之低能階電洞復合。

此外上下電池需作最佳化的厚度匹配，得到最大輸

出功率，降低電池內部電子電洞損失，提高太陽電

池效率。上下電池的種類主要可分為：

• 氫化非晶矽／氫化非晶矽：此設計中上層電池與

下層電池皆採用氫化非晶矽電池，在日本與德國

研究團隊的研究之下得到了8.5%的穩定效率。

• 氫化非晶矽／氫化非晶矽鍺合金：此設計乃透

過將鍺摻入非晶矽膜中，並透過鍺含量比例調

變達成不同能隙值，再串接形成多接面太陽電

池。以雙接面型為例，通常上層電池為氫化非

晶矽 (1.7 eV )，下層電池為氫化非晶矽鍺合金

(1.5 ~ 1.3 eV)。同樣的概念可以延伸到三接面型

太陽電池，United Solar曾以此製作三接面太陽電

池並達到13%的光電轉換效率。

• 氫化非晶矽／微晶矽：1994年IMT首度製作出這

種電池結構，上層電池使用非晶矽(1.7 eV)而下層

電池使用微晶矽(1.1 eV)。而經過上下層電池厚度

的最佳化匹配之後，日本Kaneka公司在大面積尺

寸上已經達到13.2%初始效率、10%穩定效率，而

這種電池結構能夠達到如此高的效率原因在於

非晶矽與微晶矽能隙搭配上涵蓋非常廣的光譜

範圍，其中在500 ~ 800 nm光波長之量子效率更

高達80%。

七、氫化非晶矽太陽電池模組

太陽電池製作完成後主要將結合民生電氣，

如：手機、電視、冷氣、充電器等，但一般民生電器

的驅動電壓少則1.5伏特，多則數十伏特。而太陽電

池所能產生的電壓是去取決於材料的能隙，例如氫

化非晶矽電池所能產生的電壓大約在0.85伏特左

右，無法應用於大部分的電子元件與電器用品，因

此需要將太陽電池元件一個一個串連起來，以增加

其電壓。將太陽電池元件串連後再加上防水的封裝

就是市面上所見到的太陽模組。傳統結晶矽太陽電

池一般採取將個別的電池生產完畢之後，再把每個

電池的正極輸出端對應地下一顆電池之負極輸入

端點以鍍錫銅箔焊接在一起，如此每個電池將形成

串列，如同將數個乾電池般串聯起來般，再進行真

空封裝。但此組裝方法的成本過高。並且切割太陽

電池時會造成浪費，且每一個太陽電池都需要做銲

接，以信賴性來看太多接點也是一個很大的問題。

而氫化非晶矽薄膜太陽電池由於具有可大面

積生產的優勢。利用其優勢，在基板上直接串連多

數的電池，利用此技術來取得高電壓。早期氫化非

晶矽薄膜太陽電池模組是利用金屬光罩的方式來

達成絕緣的目的，但近年來業界一般採取雷射劃線

製程技術。

7.1　雷射劃線製程雷射劃線製作太陽電池模組之流程如圖9，其

雷射製程完成之太陽電池剖面示意如圖10所示，從

圖中可看出經三道雷射製程後之薄膜太陽電池，能

有效將每一個小區塊之電池串接起來，以供整體太

陽電池模組之電壓及電流輸出。而這三道雷射分別

為：

• P1雷射製程：使用波長1,064 nm的雷射切割透明

導電膜。

• P2雷射製程：使用波長532 n m的雷射切割矽薄

膜。

圖9　氫化非晶矽薄膜太陽電池模組製程流程示意圖


• P3雷射製程：使用波長532 nm雷射切割矽薄膜及

背部電極。

然而，雷射劃線製程還是有缺點，首先，劃線

時薄膜會由於熱效應產生破裂及劃線後會出現牆

壁般的隆起，這現象若出現在導電層，則有可能會

穿過中間的吸收層導致上下導電層相接而形成短

路，並且在沉積下一層材料時，表面的隆起將會讓

薄膜之間無法緊密接合，將會使太陽電池的填充

因子下降。再者，雷射能量過強可能會誘使氫化非

晶矽薄膜產生再結晶現象，而雷射劃線凹槽若出

現此結晶時，會使p-i-n層導通形成漏電流。最後，

在P1 ~ P3劃線內的矽薄膜為無效發電區，並不會對

光電流有所貢獻，盡可能降低P1 ~ P3劃線間距，同

時維持薄膜間的絕緣是降低此部分電流損失的重

點之一。以上原因使得氫化非晶矽太陽電池從電池

效率到模組效率的過程中往往降低了1% ~ 2%。

7.2　半穿透式非晶矽太陽電池模組建材一體型太陽電池模組（BIPV）定義為太陽

電池模組或陣列被整合、設計並裝置在建築物上，

其主要內容在於將太陽電池模組視為一種建築構

材空間元素而產生的構築技術。BIPV是以建築設

計手法將具有建材功能之太陽電池模組導入建築

物結合，使系統元件不單只有發電功能，也是建築

外殼的一部分，更可以替代既有建材，降低初置之

相關成本，並且結合遮陽處理、採光照明等設計手

法，增加建築節能之效益。

傳統BIPV受限於模組不透光的因素，僅能裝

置在屋頂、牆壁、遮陽棚等地，而近年來產業界更

進一步成功開發可依使用者要求，將氫化非晶矽薄

膜太陽透過雷射處理，可以做成半穿透式太陽模

組，如圖11所示，與玻璃帷幕結合並融入建築中，

兼具透光性與發電性，是目前BIPV的熱門產品。

達到透光性的技術概念可分為兩類，第一種是利用

透光的背電極（如透明導電膜）來取代金屬電極，

如此一來未被矽薄膜吸收的光線變會直接穿透太

陽電池，不過這些穿透過去的光線其波長幾乎都大

於550 nm，造成模組外觀呈現偏橘紅色，對人類視

覺舒適度來說並不恰當，故此項技術概念的應用範

圍也大幅受到限制。第二種作法是利用雷射將太陽

電池內部分薄膜挖空去除，光線便可自然地穿透電

池，而且入射光與穿透光的波長是相同的，可更貼

近於窗戶的應用，而透光性便取決於孔洞密度與分

布方式，一般來說太陽電池模組的穿透率等於挖空

面積除上總面積，是故在追求透光率高的同時，將

伴隨電池模組輸出功率的下降，目前來說10%穿透

率的太陽電池模組穿透度最廣被接受。

目前半穿透式太陽電池模組的主要供應商為

日本矽薄膜龍頭廠Kaneka，但是因為供應者不多，

再加上主要需求市場又是以高毛利空間的BIPV市

場為主，每瓦平均約在6 ~ 10美元，也因為市場成

長快速、容易出現缺貨狀況，最高也曾有每瓦13美元的紀錄。國內外半穿透式薄膜太陽模組相關技術

與應用有：

圖10　氫化非晶矽薄膜太陽電池雷射製作之剖面

示意圖

圖11　日本Kaneka與Sharp之半穿透式氫化非晶矽薄膜太陽電池圖


(1) 日本三洋電子的A. Takeoka研究團隊，製作出網

狀構造的背電極結構，使氫化非晶矽薄膜太陽

模組具備10%穿透率，在35 × 19 cm 2尺寸的模

組，將其裝置於汽車天窗上，藉由其所產生的電

能驅動風扇來降低車內溫度。

(2) 香港Jun Han的研發團隊，製作之半穿透式氫化

非晶矽薄膜太陽電池模組尺寸為95 × 98 cm2，

可以輸出19.32 W，更可以進一步將與低輻射玻

璃結合提升節能的特色。

(3) 日本矽薄膜太陽電池發展之領先廠商Sharp，其

產品主力為氫化非晶矽／微晶矽堆疊型太陽電池

產品，此產品之光能轉換效率較單接面氫化非晶

矽薄膜太陽電池的6% ~ 8%提升到10% ~ 12%，為了再繼續提高效率，Sh a r p積極研發三接面

（氫化非晶矽／氫化非晶矽／微晶矽）技術，把

太陽電池轉換效率提升至12% ~ 16%。近期該研

究團隊研發出一款製造成本可較現行產品降低

一成的薄膜太陽電池新產品，在電池背面使用強

化玻璃提升其強度，除可降低占整體材料費用

比重達20%的鋁製外框成本外，其強度的提升

更有助於BIPV的應用。在半穿透式矽薄膜太陽

電池模組的部分，Sharp在2011年光電展中展示

174 × 98.5 cm 2的模組，模組穿透率10%輸出功

率101 W，可見此技術受到重視。

(4) 國內氫化非晶矽薄膜太陽電池廠商有聯相、

旭能、宇通、富陽（Tur nkey: Oerl ikon）、綠能

（Turnkey: Appl. Mat.）、大豐（Turnkey: Chronar）及八陽（Turnkey: Leybold）等大廠，其中由聯

相已發表出堆疊式微晶矽薄膜光電模組量產

(160 Wp，效率 > 10%)為國內模組效率最高，另

外對於半穿透式薄膜太陽電池也早已申請專利

佈局，其量產時程還在規劃中，反觀另一薄膜廠

八陽，雖然目前以標準型堆疊式130 Wp的矽薄

膜太陽電池模組為主力，但未來將力推半穿透

式薄膜太陽模組為重點，比重目標由2012年僅

4%提升至2013年達30%的水準。

綜觀以上國內外薄膜太陽電池現今技術之發

展，提高獲利之另一條路就是如何將現有產品創新

應用化，提高產品附加價值，以現在5.5代薄膜太陽

電池模組之報價約為臺幣4,000元，依照現在日本

Sharp、Kaneka及國內八陽等大廠發表之半穿式透

薄膜太陽電池其報價約為一般薄膜太陽電池模組

之2 ~ 3倍以上。

7.3　圖像化半穿透式氫化非晶矽太陽電池模組

圖像化太陽電池模組 [15]除了提供基本的薄

膜太陽光電轉換效率之外，亦能讓建築師或設計師

針對建築藝術部分來全權發揮，其客製化的文字或

圖像表現，得以讓原本平淡無奇的太陽板與建材結

合，進而展現不同風采；除此之外，還可以減少部

分入光達到隔熱節能與隔音之效果，上述優點皆為

BIPV建材機能性質之重要考量，其應用如圖12全彩薄膜太陽電池模組藝術玻璃用於BIPV概念模型

屋，可看到其具備美觀與發電的功用。

太陽電池模組藝術玻璃採用的原理乃是利用

改變雷射光能量，進而達到刻劃出不同的劃線深

度，而根據這個概念，將一灰階影像製作成光罩應

用於雷射劃線製程，由於每個灰階像素會造成不同

圖12　全彩薄膜太陽電池藝術玻璃用於BIPV概念模型屋


的雷射光穿透率，進而造成不同的雷射劃線深度，

組合出與光罩上一樣的灰階圖形，換言之光罩上的

影像就這樣複製到了太陽電池模組上。而對於整個

模組製程僅多了一道雷射(P4)，如圖13所示，需多花

的製程時間以5.5代尺寸(1.1 × 1.4 m2)來說約5分鐘

以內即可完成。圖14、圖15分別為5.5代氫化非晶矽

薄膜太陽電池模組藝術玻璃實體圖與其I-V特性曲

線，可看出在完成P4圖形化製程後，模組效率下降

約20%，降低此部分損失將有賴於進一步地優化雷

射製程參數。

在全彩太陽電池模組技術方面，只要在上述灰

階式圖形化太陽電池模組中，將背板強化玻璃以噴

墨技術塗上相對應地彩色、半穿透的圖案，經由熱

融性膠膜（EVA）將太陽電池模組與背板玻璃接合

後，便因為太陽電池模組本身之透光性而將全彩圖

案顯露出來，如圖16即為四片5.5代全彩半穿透式氫

化非晶矽薄膜太陽電池模組組裝後的實體圖。

一般薄膜太陽電池單調缺乏藝術美感，因此建

築上乏人使用，透過這項圖形化雷射雕刻技術可刻

劃出具有藝術氣息的圖案、影像、文字於薄膜太陽

電池，來增加室內外甚至是城市上之藝術氣息及附

加價值，進而提升整體城市藝術之美感，尤其在國

外已有類似構想之建築物如圖17所示 [16][17]，但

此建築並非實際以全彩圖像薄膜太陽電池，而是以

投射布幕方式達成影像效果，但未來具藝術美觀之

建築，將是未來城市規劃的重要元素，無形中也提

升人類之藝術氣息與氛圍。

八、結　論

氫化非晶矽薄膜太陽電池發展至今已超過40年，然而其光電轉換效率仍然有限，並且受限於嚴

重的光致衰化現象而無法有明顯突破，這使得非晶

矽太陽電池一直無法打進主流市場、大幅提升市占

率的原因。新一代提升氫化非晶矽薄膜太陽電池轉

換效率的技術目前大多集中在多接面堆疊型太陽

電池方面上，但其製程技術牽涉多種材料，較傳統

非晶矽薄膜太陽電池製程複雜，且沉積微晶矽最大

的問題為沉積速率較慢，無法有效降低生產成本，

對於工業量產化來說是一大難題及挑戰。另一個方

圖13　雷射P4劃線技術及薄膜太陽電池藝術玻璃結構示意圖

圖14　媽祖金身圖像化電池模組圖15　圖像化太陽電池I-V曲線


法為引進量子點概念於氫化非晶矽薄膜中，以量子

點特有之量子侷限效應、多重激發效應等來達到元

件效能大幅提升，但是其原理及製程尚處於萌芽階

段。鑒於以上原因，氫化非晶矽薄膜太陽電池商業

模組在效率上可能還無法有進一步明顯地突破。反

觀在建材一體的BIPV方面，氫化非晶矽薄膜太陽

電池模組具有相當大的前景與競爭力，因為此類模

組很適合BIPV的特性，例如可大面積沉積的特性

恰好符合一般室外安裝5.5代尺寸需求，而氫化非

晶矽在弱光或非直射光照射下發電量比單多晶矽

高的特點使得模組安裝位置具多選擇性，以及可半

穿透式設計更是使氫化非晶矽有機會與玻璃科技

相結合，增加產品額外的價值。總而言之，氫化非

晶矽薄膜太陽電池除了效率固然必須再提升之外，

持續開拓並找到合適的應用面也是提升非晶矽電

池本身競爭力的重要課題。

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圖16　四片5.5代全彩氫化非晶矽半穿透薄膜太陽電池模組實體安裝圖

圖17　未來化城市藝術美感建築示意圖


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Manuscript Received: Apr. 8, 2013Revision Received: Jul. 2, 2013

and Accepted: Jul. 2, 2013

PROGRESS OF HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON ......Journal of Engineering, National Chung Hsing...

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