中央研究院淨零科技

作者：韓明恩博士/永續科學中心淨零科技工作小組

 隨著全球對於綠色能源的需求增加，太陽能光電成為能源轉型的重要選項之一。矽晶太陽能面板作為目前最主流的光伏技術，其核心設計不僅涉及光電轉換效率的提升，還涵蓋模組結構的優化與環境適應性。本文將介紹矽晶太陽能面板的基本組成，探討影響轉換效率與裝置密度的因素，並剖析未來技術發展趨勢與回收技術的重要性。

• 現況─矽晶太陽能面板
   太陽能光電模組的設計是高度集成化的技術系統，目的是有效的將陽光轉換為電力，並保護內部的元件不受外界環境的影響。太陽能板由多層材料組成，如圖1所示。最外層為鋼化玻璃，具有高透光率和優良的抗機械應力特性，可有效減少雨水、灰塵及其他環境因素對模組的損害。玻璃下方是封裝材料，通常採用乙烯-醋酸乙烯酯（EVA），其主要功能是穩定地將太陽能電池片固定於玻璃與背板之間，並提供防震與隔絕濕氣的作用。

圖1 矽晶太陽能板組成結構

(資料來源：地球公民基金會)

 核心部件為太陽能電池片，負責將光能轉換為電能。常見的材料包括單晶矽和多晶矽。單晶矽電池片具備較高的光電轉換效率和更長的使用壽命，適合高效發電的應用場合；而多晶矽電池片雖然效率較低，但製造成本更低。隨著技術進步，單晶矽與多晶矽電池片的成本差距逐漸縮小，單晶矽已成為市場的主流選擇。
 最底層的背板主要負責絕緣、防水，並保護內部元件免受環境侵蝕，常採用聚氟乙烯或聚酯等高耐候性材料製成。光電板的邊緣由鋁合金邊框包覆，提供機械支撐，並便於安裝與固定。此外，光電板背面的接線盒內含電氣連接端子與旁路二極體，其主要功能為確保電力的安全輸出，並防止逆向電流損害電池片。

• 裝置密度與產電量
   太陽光電的發展在全球能源轉型中扮演了重要角色，目前廣泛布建的太陽能板擁有約22%的光電轉換效率，這意味著每接收到 100 單位的光能量中，有22單位能被轉換為電能，其他能量則以熱或其他形式散失，如圖2所示。光電轉換效率與單位面積的裝置容量有直接關係，以目前台灣現況，屋頂型太陽光電系統的裝置密度約為 1 GW/千公頃，而地面型太陽光電系統為 0.7GW/千公頃^[1][2]。裝置密度的差異是因為地面型系統之單一案場的裝置容量(規模)較大，需保留足夠空間以避免遮光效應，並保留定期維護清潔的操作空間。

圖2 光電轉換示意圖與我國太陽光電裝置密度

 太陽光電的年產電量可透過(公式1)取得。裝置容量是系統的額定輸出功率，表示在理想條件下可以產生的最大電力。一年時數為8760小時，用來代表全年可能的發電時間。容量因子則是反映系統實際運行效率的比例，受日照條件、天氣變化、設備維修等因素的影響。太陽能系統的容量因子通常介於10%到20%之間，以全台各縣市而言，容量因子較高的縣市為彰化縣、澎湖縣、連江縣；容量因子較低的縣市為基隆市、台北市、新北市；台灣的平均值約為13.35% [3]。

圖3 台灣各縣市太陽光電容量因子^[3]。

發電量=裝置容量×一年時數(8760)×容量因子 (公式1)

 舉例來說，如果一座太陽能系統的裝置容量為 10 MW，理論上每小時可產生 10 MWh 的電力，而一年可產生87,600MWh，但不可能有24小時的光照，故若以容量因子13.35%的條件計算，其年發電量則降為約11,695 MWh。(也就是度數)

• 科技趨勢
   太陽能光電已成為再生能源中均化電力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）最低的選項之一。均化電力成本是指發電專案在整個壽命週期內，每單位電能的平均成本，涵蓋建設、運營、維護等所有相關費用。如圖4所示，太陽光電（Solar Photovoltaic）的平準化電力成本已從2010年的每度電0.46美元大幅下降至2023年的每度電0.044美元，降幅超過90%。在2023年，僅高於陸域風電（Onshore Wind）的每度電 0.033 美元。
   

圖4 全球於2010 年和 2023 年新投產的公用事業級再生能源之均化電力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）^[4] 。

 未來除了持續布建光電系統外，我國因土地資源有限，也應持續開發不同面向的應用與前端技術，以擴大運用場域及單位面積的產電量。例如：
●    高效太陽光電（本院研究團隊）：採用疊層式鈣鈦礦/矽基太陽能電池，目標提高光電轉換效率至超過30%，可有效提升單位面積產電量。
●    浮動式太陽能系統：利用水面來安裝面板，不僅降低對陸地面積的需求，還具有降溫和提升面板效率的潛力。
●    多元設施：農電共生或漁電共生系統，結合發電功能與農業生產或漁業養殖，不僅能有效利用土地，還能提升土地的經濟價值。
●    室內光伏（Indoor Photovoltaics, IPV）：鈣鈦礦材料對於可見光波段有極高的吸收效率，在室內環境（如LED、熒光燈等）下也能夠發電。特別適用於物聯網（IoT）、穿戴裝置以及各類低功耗電子產品的電力來源。
●    建築整合型光伏(Building-integrated photovoltaics, BIPV)：將傳統的晶矽太陽能電池或各類薄膜太陽能電池(如鈣鈦礦、CIGS、CdTe等)直接嵌入建築物的屋頂、外牆或幕牆中，不僅發電，同時作為建築材料，兼具功能性與美觀性。

  台灣擁有優越的日照條件，使太陽能發電成為重要的再生能源發展方向。然而，太陽能發電具有間歇性，需大面積土地鋪設以產製大量電力；在土地資源有限的台灣形成重大挑戰。隨著裝置容量的持續提升，適合布建太陽能電廠的土地將日益短缺，而導致土地競爭加劇，並引發社會爭議。

 解決土地限制的關鍵之一是提升光電轉換效率，以提高單位面積的發電量。目前，矽基太陽能電池仍為市場主流，其光電轉換效率約22%-24%，但因單接面結構的理論極限（Shockley-Queisser Limit）約為30%，進一步提升效率受限。因此，未來技術發展須聚焦於多接面型或堆疊型光電技術，例如III-V族多接面太陽能電池與疊層式鈣鈦礦/矽基太陽能電池（此為本院積極開發之技術，詳見淨零5支箭分頁），以進一步優化光電轉換效能^[5]。
 除了提升發電效率來緩解土地競爭問題，光電模組的回收技術亦是產業發展的重要課題。傳統矽晶太陽能電池的主要成分包括76%玻璃、10%塑膠、8%鋁、5%矽、1%銅及0.1%銀。據報導^[6] ，目前已有企業透過機械與化學回收技術，成功回收99%的玻璃、鋁與銅，90%的矽，以及95%的銀。其回收取得的銀約價值10美元，而其他玻璃、鋁、矽及銅加總價值約10美元。然而，雖然回收所得材料的總價值約為20美元，但目前全球市場上單一廢棄模組的處理成本僅5美元以下，且回收成本介於15至45美元之間，導致太陽能模組回收經濟性不足^[6] 。因此，如何降低回收成本、提升回收效益，亦是未來光電產業邁向永續發展的關鍵挑戰之一。
 如前述，太陽能光電的創新應用方案，為未來發展提供了許多可能性，有助於實現能源生產與土地利用之間的平衡。整體而言，太陽光電所需面積的大小受光電轉換效率、裝置容量密度及安裝方式影響。為滿足日益增長的能源需求，未來需要在技術創新與政策支持之間找到平衡，充分利用有限的土地資源，發展更高效的太陽光發電系統，並積極發展廢棄太陽能板的回收技術。

圖5 浮動式太陽能系統(左)與農電共生系統(右)。