台灣太陽能電池產業起飛 製程設備業者尋求發展新契機
前言：這幾個月下來，幾乎每週談論的原油價格飛漲和物價指數緊跟著起舞的新聞，市場上只要能和節能議題牽扯或掛勾，對企業而言幾乎就等同於釋放利多的效果，尤其引領出一股太陽能電池的發展及投資的風潮，大家急欲從這個當紅炸子雞中分到一杯羹，但是這個發展中的產業能否從我們所熟知的半導體晶圓代工產業中，找到一些借鏡或是對比呢？太陽能的應用早已經發展超過五十年的歲月，早從先進國家發展的太空計畫中，就已現蹤跡，從太陽光直接照射在光吸收器上，利用光電效應，在使用的材料上產生微量電位差，再加以蓄積，完成從光變成電的能源轉換工作，這是基本的太陽能電池發展的原理。由於轉換的過程中，無需任何的燃料，也沒有轉動的機械組件，所以無污染、無噪音、無廢棄物產生，而且以目前矽晶片為主的產品而言，壽命可以達到二十年的使用期，無怪乎成為一時之選。
太陽能電池何去何從太陽能電池（photovoltaic cells）的發展已經蔚成一個產業，根據工研院經資中心分析，目前全球太陽能發電容量仍低，不過在主要先進國家政策鼓勵並積極推動下，美國Clean Edge公司預測，全球太陽能發電產業規模（含模組、系統組件、設置施工）將由2003年的47億美元，大幅增長為2013年308億美元。因此，未來十年內，世界太陽能發電產業將以平均年增率 20%以上快速成長，成為眾所矚目具有高度發展潛力的替代能源產業。
台灣投入太陽能電池的發展啟始於1970年代的石油危機時期，一直到2001年網際網路泡沫化所引起世界性經濟低潮，以及這兩年由於矽晶圓原物料處於供應吃緊，而造成的供需失衡景況，一下子整個產業聚集大量的曝光，成為新一波發展的重點。
今天的工業等級的太陽能電池的發展，已經朝向便宜和效率等兩大主題發展，許多研究團隊不斷推陳出新，期望新的材料可以成為新的光吸收器，並且對電荷載子的蓄集效率能做出更大的貢獻，因而一舉發展出能夠有效的與其他新興能源競爭的裝置。目前所知的太陽能電池的製程種類有下列的區分：
(1) 矽製程（silicon processing）(2) 薄膜製程（thin-film processing）(3) 高分子製程（polymer processing）(4) 奈米粒製程（nanoparticle processing）(5) 透光導體（transparent conductors）
其中以矽製程的產量及成效，遠遠領先其他製程級材料，矽是我們耳熟能詳的半導體材料的主要來源，用在太陽能電池上，可區分成單晶矽、多晶矽及非晶矽。多晶矽（polycrystalline silicon）與單晶矽（mono-crystalline Silicon）兩種材料，佔太陽能晶片整體市場的89.5％，是市場的主流。單晶矽所能產生的電能轉換率較高，一般可在15.5％∼16％，但成本較高，多晶矽轉換率較低，約在14.8％∼15％，但成本相對較為低廉。目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經超越單晶矽的太陽電池。
圖說：2005年太陽能電池的市佔率。(資料來源：IEK, 2006年 4月)
另一個相當被看好，而愈來愈受到重視的主要製程就是薄膜製程。薄膜太陽能電池，乃是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應的薄膜，厚度僅需數μm(而一般的矽晶圓所需的厚度約為200μm)， 因此在同一受光面積之下，薄膜太陽能電池可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量。
薄膜太陽能電池雖然有材料成本遠低於矽晶圓太陽能電池的優點，但是一方面因為轉換效率不高（約6％∼10％），二方面目前生產設備相當昂貴，設備成本高出矽晶圓太陽能電池三倍以上，再加上產品壽命都遠不及矽晶圓太陽能電池可長達20年以上的使用壽命，導致無法擁有較好的優勢。
根據太陽能專業網站Solarbuzz.com（http://www.solarbuzz.com）的統計， 今年7月份薄膜太陽能電池模組的平均每瓦售價約在3美元左右，和多晶矽太陽能電池相差相當有限。不過在材料和生產技術不斷加強，以及規模擴大之後，未來成本下降的速度應該會較矽晶圓太陽能電池快速許多。以美國為例，美國再生能源實驗室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）的目標是在2020年時將薄膜太陽電池成本降至每度電5到7美分；若與未來結晶矽太陽電池之發電成本每度電仍將高於10美分相比，薄膜太陽電池仍深具市場競爭力。
真正商品化的有以下幾種太陽能電池元件型態的產品：(1) 矽晶片（silicon bulk）(2) 非晶矽薄膜（thin film）(3) II-VI族晶片（CIGS，也是多層薄膜組合而成）
下圖是太陽能電池元件商品化的現況：
圖說：太陽能電池元件商品化的現況。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月)太陽能電池產業
以台灣目前太陽能電池產業發展現狀來看，大概可以勾勒出對矽晶片與矽薄膜製程的產品為主流，並且分成前後兩個世代的產品，有許多業者紛紛集資投入，整個產業可以細分為上、中、下游來介紹。
上游產業以材料的處理為主，多半從國外大廠取得矽晶材料後，透過長晶爐，生成像鑄鐵一樣的晶棒 (ingot)，然後透過精密切割機，切割成一片片的晶圓，中游則側重於太陽能電池元件（PV cell），下游則放在應用的產品面，包括太陽能的模板（PV module），以及組裝完成太陽能系統為大宗。
圖說：台灣太陽能產業供應鏈。(資料來源：DIGITIMES，2007年 8月)
台灣上游產業的矽晶塊/矽晶圓長晶與拉晶製程廠，拜蓬勃發展的台灣半導體代工產業之賜，多年以來主要均以半導體晶圓代工廠為業務重心，實際應用於太陽能電池產品比重有限，2006年因太陽能晶棒新產能處於調適期，對個別廠商營運成長並不如顯著，但是今年起擴產速度增加相當快速，以中美晶為例，目前太陽能矽晶圓材料的出貨量，以今年第二季所揭露的營收統計的資料來看，已經超過了整體出貨金額一半，今年七月底又傳出拿到美國多晶矽大廠MEMC的代工訂單的好消息，至於合晶，則是受惠大陸子公司的太陽能級矽晶圓產品的挹助，營收也頗有斬獲。
從產業的層級觀察，太陽能用矽晶圓廠商早期通常還是以半導體製程需要的晶圓為優先，訂單也多來自半導體代工廠，產品出貨給太陽能電池廠的比重皆不高。而用來生產太陽能用矽晶圓，純度上就遠低於半導體需求，因此太陽能級矽晶圓則是使用製造半導體用矽晶圓後所剩下的次級材料，連同長晶後剩餘的材料，經過加工而成，所以因此有人認為太陽能用矽晶圓的技術門檻遠較半導體用矽晶圓低。
比較能說是異軍突起的要算是綠能科技，他們在2005年7月才開始正式銷售太陽能用多晶矽晶圓，初步仍以國外客戶為主，例如日本 Sharp及BP Solar 等國際太陽電池大廠；國內客戶如茂迪等也是主要客戶之一。今年斥資20億元向美商應材購買設備，投入的8.5代薄膜太陽能電池模組，最快將在2008年第四季進入量產，屆時將使綠能可以具有生產矽晶圓及薄膜製程技術的供應商，它們是專注在太陽能上游的產業鏈。
台灣中游產業業者以茂迪和益通為典型代表，其主要就是把矽晶圓製成太陽能電池，目前是整個太陽能電池產業中產值最大的一塊，由於半導體業界就是以獨特的晶圓代工的模式，讓台灣晶圓代工業在世界的舞台佔有一席之地，所以太陽能電池代工模式也特別讓所有投資者拭目以待，可惜遇上上游材料全球性的短缺，各廠決勝的關鍵在於晶圓的取得，許多後進者就是為此而躊躇未前，我們將用以下章節針對這些代工業者所關注的製程與設備做進一步的分析。
圖說：主要太陽能業者業績（單位：新台幣百萬）。(資料來源：表列各公司，2007年 8月)
製程與製程設備
為了介紹太陽能電池的製造技術，我們先由最簡單的流程，即晶矽太陽電池的製造技術談起。製程步驟有以下幾個分類：
◎上游產業製程•拉晶：主要的原料為二氧化矽，利用晶種在拉晶爐中成長出一單晶矽棒。•修角：一般微電子產業所用的晶圓，是直接把單晶矽棒切片而成，但對於太陽電池而言，通常必須把許多晶片串聯成一方形陣，為了陣列排列的更緊密，大部分都先將單晶矽棒修角成四方形。 •切片：用切片機將單晶矽棒切成厚度約0.5毫米的晶圓。•蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在切片過程中所造成的應力層。拋光的目的是要降低微粒附著在晶圓上的可能性。
◎中游產業製程•清洗：用去離子水（DI water）把晶圓表面的雜質污染物去除。•擴散：一般太陽電池均採用p型的基板，利用高溫熱擴散的處理，使p型的基板上形成一層薄薄的n型半導體。•網印或蒸鍍：將製作完成的晶圓，用銀膠印刷或是用蒸鍍的方法，在晶圓的表面接出導電電極，如此即可完成一個簡單的太陽電池。
圖說：中游產業製程。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月)
◎下游產業製程單一太陽能電池之電壓約0.5V，可依所需要的電壓、電流設計，通常以金屬鉛串聯數個太陽能電池，再將之以前面玻璃、背面塑膠或玻璃基板，利用特用化學材料封裝，並加上鋁框保護後，成為太陽光電模組。2000年市售太陽光電板之最高功率約120W，目前主要產品功率已達150-190W。至於若干太陽光電模組，可裝配成更大功率的太陽光電陣列（PV array）等，合組成為太陽光電系統（PV system）。
◎薄膜電池製程矽薄膜層主要是藉化學氣相沉積（簡稱PECVD）的製程，將非晶型矽（a-Si或a-Si:H）材料附著於玻璃等機板上而成。
圖說：矽晶圓上中下游產業製程設備一覽表。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月)
上述製程中可以用矽晶圓製程和非晶矽薄膜製程為主要的區別，其中矽晶圓製程除了沒有半導體製程中的光罩與歩進機掃描等前段尖端製程，和我們所知的半導體製程似乎似曾相似之感，而非晶矽薄膜製程則和液晶面板製程也多少有些相似性。
矽晶圓製程所用的設備，由於考慮到時間及所需要的經驗累積，目前台面上幾家主要電池元件製造商（茂迪和益通），在規劃的初期產線設備上，多半都採用國外設備廠的整廠輸出方案，也就是一般所謂的turnkey solution，台灣的設備製造商並沒有真正享受到早期參與的契機，當然另外一個主要的原因，也是因為一條晶圓電池產線的設備投資才約3到4億台幣（當年蓋一條八吋晶圓代工廠，就需要投資200億台幣的資本），若和購買原物料動則30~40億的成本支出來說，設備所佔的資本才只有10%而已，這讓太陽能電池代工業者，在出貨時效及良率考量之下，當然直接選擇國外整廠輸出的選項。
但是今年開始，由於新設生產線和舊產線維護或修改的需求發生時，台灣的設備供應商終於漸漸有了直接合作的機會，而且合作的台灣設備製造商多半也是以自動化機械與物流設備為首選，包括各主要製程之間的晶圓或薄膜基板的導入導出器（loader, unloader）或晶圓裝置與運送等等，這些自動化設備由於需要和客戶就廠區實地配置，以及重要設備之間的動線，進行著密切的溝通與設計，所以能夠獲得客戶青睞的設備廠，除了他們口中所謂的「客戶基礎」，也就是能有過去在晶圓代工廠或液晶面板製造廠的成功經驗之外，重要的還是與國外設備原廠的合作經驗，二者是缺一不可。
台灣設備供應商
以下是幾個主要的台灣設備供應商進軍太陽能電池製程設備的近況：
•廣運機械工程股份有限公司－自動化物流設備暨電子代工廠商，該公司挾著與國內三大主要的液晶面板製造商的合作經驗，在太陽能領域動作近來已轉趨積極，除在內部設立新的太陽能電池設備事業，以切入此一領域佈局外，目前積極參與綠能以及崇越等太陽能電池廠的新產線的整廠輸出規劃案。
•志聖工業－志聖工業以生產PCB烘烤乾燥設備聞名，2007年1月17日正式合併鐠德科技，開始有自動化物流設備產品進入市場，由於專精於烘烤乾燥的核心技術，將以高溫燒結爐及乾蝕刻（dry etching）的製程設備進軍太陽能電池設備，並且將電漿爐、熔合爐與擴散爐為可能發展的長期方向。
•均豪精密工業－原本屬於明碁友達集團旗下的設備廠，專長在於發展機械手臂與單機設備，原本主攻TFT LCD面板自動化輸送設備，目前有意將應用放在太陽能矽晶片的定位、取放作業上，做爲均豪跨足太陽能電池設備的開端。
•陽程工業－成立於1981年，早期以設計製造印刷電路板自動堆疊設備爲主，2005年開始切入LCD用檢查機設備。隨後産品線也由檢查機類，跨入晶片清洗刷磨、LCM TV模組及玻璃基板輸送系統。
•東捷科技股份有限公司－目前針對薄膜製程的技術有些初步的研究，但是仍需有製程上可以互相合作的客戶來一起共同成長，對laser isolation技術有初步涉獵。
•盟立自動化股份有限公司－盟立自動化，從1989年創立， 2006年全年營收約為新台幣46億元，其中TFT LCD約佔22億元，預估2007年TFT LCD佔營收金額約為20億元上下，對於未來太陽能產業所需要的自動化設備領域，現在已經有部份原型設備發展成形，初步也以晶圓製程的產線對客戶做密集式的接觸，對太陽能製程的設備的成熟期，初步仍以2008年為主要的觀察點。
圖說：主要設備業者業績(單位：新台幣百萬)。(資料來源：表列各公司，2007年 8月)
需加強設備製造業整合
台灣半導體代工與液晶面板為台灣帶來兩兆的產值，但是在競爭激烈的國際市場上，我們的製程設備產業卻來不及同步成長，舉液晶面板製程設備為例，現今台灣1年的TFT LCD製程設備投資金額平均約新台幣1,400億元，2005年的設備自製率僅22％，但隨著TFT LCD面板7.5代廠及未來八代廠的擴充，後續的設備需求會更高，這會讓設備製造商之間的垂直與水平整合的能力，受到更大的挑戰，這種製程設備無法自主的情況，會一直困擾著這兩個明星產業的發展。
今天太陽能電池產業快速發展，設備製造商個個躍躍欲試，但是顯然第一波的矽晶圓製程的太陽能電池所需的設備又因為時機的問題，讓國外的整廠輸出設備商拔得頭籌，如今新廠或新產線的需求增加，國外設備商的交期問題就會逐漸浮上檯面，所以靠新一波開設製程產線的挹助，希望能為台灣設備製造商扳回一城。
由上述幾個設備商的進況可以了解到，一些參與液晶面板的自動化物流設備商顯然比較積極，由於太陽能電池晶圓的投產量會比一般電子元件用的晶圓數量來的大很多，所以晶圓運送速度會直接影響產能，但是要能兼具產能的需要，又不能因為速度快而摔壞，當中就有許多的考量會和傳統半導體晶圓代工廠很不一樣，因此成效也比較有令人期待的空間，經過我們的訪談，多半的台灣半導體設備商對太陽能電池設備的成長，都在看2008年年底才會開始比較有大的進展，因為以目前全球多晶矽等原物料的供給不足情況，在紓解壓力上能夠有大的進展，最快也要等2009年之後，以蓋一條30MW產線預計八個月的時間來看，時間往回推約就是2008年底了，但是還是有一部份的廠商認為這個時間點仍嫌言之過早。
對新一世代的薄膜製程太陽能電池，雖然目前佔有的市場比率遠不如矽晶圓太陽能電池，這是因為轉換效率及使用壽命尚無法競爭，但是從新的薄膜材料及製程的發展，這些原本的缺點漸漸有了新的改善，剩下的只有進一步發展降低成本的設備與製程，台灣的製造業一向以降低成本的效果為世人所稱羨，這將會是另一個讓我們得以發揮所長的機會。
從茂迪或益通等現階段具有代表性的太陽能電池代工廠營運狀況，我們已經可以看到整線式的自動化生產模式的建立，為了讓良率可以繼續的攀昇，就必須要考慮如何持續增加製程的穩定性，和產能速度，也就是發展連續式流程（continuous flow），以及串列式製程（in-line process）的重要性，這讓本土的設備製造商有許多可以使力的地方，而且對即將面臨更艱困的價格戰的太陽能電池代工產業而言，更是一個非常關鍵的求生法寶。
雖然新世代的薄膜製程會需要精密度非常高的電漿鍍膜設備，技術層面的掌握對台灣的設備製造商而言，或許仍需假以時日，其間的研發與認證的過程，可以想見需要經歷一段刻骨銘心的歷程，但是能源產業是一份百年事業，路遙才能知馬力，寄望台灣設備製造商可以為此開創另一個榮景。
資料來源:Digitimes
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