薄膜型太陽能電池種類與比較

薄膜目前已量產薄膜型太陽能電池技術有:非晶矽(a-Si)、銅銦硒化物(CIS)/銅銦 鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)，可見圖3.4薄膜太陽能電池分類表，而CIS/CIGS薄膜電 池由於吸光範圍廣，在寒帶及多霧、多雨、陰天之地區帄均表現優於一般結晶矽，且 穩定性較高，因此最具發展潛力。以下為矽薄膜、化合物半導體薄膜之介紹與比較。

圖 3.4 薄膜太陽能電池分類表 資料來源:[28]

一、薄膜型太陽能種類

薄膜型太陽能種類可分矽薄膜太陽能電池與化合物半導體薄膜太陽能 電池，內容可見以下幾點:

(一)矽薄膜太陽能電池

矽薄膜可分非晶矽、微晶矽、低溫多晶矽，內容說明於下:

薄膜 Thin-Film

矽薄膜類 Silicon Thin Film

based

化合物半導體

Com-pound 新技術及新材料

非晶矽 a-Si SiGe、Sic

微晶矽 c-Si SiGe、Sic

低溫多晶矽

銅銦硒CIS 銅銦鎵硒CIGS

硫化銅C-ds 碲化鎘CdTe

有機系 Organic

奈米技術 Nanotech

球狀矽 Spherical

1.非晶矽(Amorphus Silicon,a-Si)

矽薄膜類中的非晶矽太陽電池，為各類薄膜太陽電池中發展時間最長，

也是目前薄膜太陽能電池中量產最多者。矽薄膜太陽能電池所使用的矽原料 量，約為結晶類太陽能電池的 1/100 左右，利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，簡稱 CVD)或濺鍍法(sputtering)，形成僅有數μｍ厚度的矽 薄膜，具有輕薄、省材料的優點[28]。

另外，非晶矽具有較佳的光吸收能力，因此僅需較薄的吸收層，但紅光 及紅外光等能量較小光源則無法吸收而限制其轉換效率，轉換效率約 6~7%。

但由於非晶矽薄膜有照光穩定度問題(即指電池長期在強光照射下，轉換效率 會降低的光劣化現象)，一直難以擴大普及率。但隨著二層(Tandem)或多層接 合太陽能電池(Multijunction)技術的發展，矽薄膜電池透過不同能隙材料的堆 疊，增加光吸收能力，可達到轉換效率提升的目的[23]。目前太陽能廠商多 以結合微晶矽的堆疊式(a-Si/uc-Si，Tandem)技術製造，轉換效率可達 8~10%，

近期甚至已有三層結構(triple structure)的產品，如圖 3.5，而基板材料也從玻 璃增加到可撓式金屬基板[22]。

圖 3.5 矽薄膜太陽能電池結構 資料來源:SHARP、IBTS 整理[26]

2.微晶矽(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，也被稱為 Microcrystalline Silicon，

mc-Si)

微晶矽其實是非晶矽的改良材料，其結構介於非晶矽和晶體矽之間，主 要是在非晶體結構中具有微小的晶體粒子，因此同時具有非晶矽容易薄膜 化，製程便宜的特性，以及晶體矽吸收光譜廣，且不易出現光劣化效應的優 點，轉換效率也較高。目前已有將 a-Si 和 nc-Si 疊層後製成的薄膜太陽能電 池商品(由日本 Sanyo 研發成)，可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光的同時仍可 發電，因此業界廣泛看好將是未來非晶矽材料薄膜太陽電池的的發展主流 [29]。

3.低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon；Poly-Si)

低溫多晶矽技術主要特點在於改變玻璃基板分子構造，以提昇傳統非晶 矽技術性能。利用準分子雷射作為熱源，雷射光經過投射系統後，會產生能 量均勻分布的雷射光束，投射於非晶矽結構的玻璃基板上。當非晶矽結構玻 璃基板吸收準分子雷射的能量後，會轉變成為多晶矽結構，具有較高的光吸 收能力。因整個處理過程都是在 600℃以下完成，所以一般玻璃基板皆可適 用[28]。

在文獻[23]中提到矽薄膜太陽能電池之製作流程，如圖 3.6 為製作矽薄膜太陽電 池模組的六道製程，第一步在玻璃基板上成長一層透明導電氧化物薄膜(TCO)；第二 步以雷射(Laser)將 TCO 薄膜剝除；第三步則以 PECVD 方法於 TCO 上進行 Si 薄膜 的連續鍍膜;第四步以 Laser 進行 Si 薄膜剝除；第五步則在 Si 薄膜上已 PVD 方法進 行金屬鍍膜；第六步則為以 Laser 進行金屬薄膜剝除；最後再進行玻璃封裝就可完成 一太陽模組。當完成全部製程後，此時 Cell 與 Cell 間藉著金屬與 TCO 薄膜的相連接，

可直接在玻璃上完成模組化製程，而玻璃基板面積將取決於鍍膜基台大小。美國 United Solar 則是在不鏽鋼基板上進行可撓式矽薄膜太陽電池的製作，其中不銹鋼與 玻璃基板最大差別在於製程可 Roll-to-Roll，模組大小可依客製化來設計裁切，較有 彈性。

圖 3.6 矽薄膜太陽電池模組製程圖 資料來源:[23]

(二)化合物半導體薄膜太陽能電池

化合物薄膜可分銅銦硒化物、碲化鎘、多接面砷化鎵、色素敏化染料、

有機導電高分子，內容說明於下:

1.CIS/CIGS(銅銦硒化物)

CIS(Copper Indium Diselenide) 或 是 CIGS(Copper Indium Gallium Diselenide)都屬於化合物半導體。這兩種材料的吸光(光譜)範圍很廣，而且穩 定性也相當好。轉換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已 經可達 30%，標準環境測詴下最高也已經可達到 19.5%，足以媲美單晶矽太 陽電池的最佳轉換效率。在大面積製程上，採用軟性塑膠基板的最佳轉換效 率也已經達到 14.1%。由於穩定性和轉換效率都已經相當優異，因此被視為 是未來最有發展潛力的薄膜太陽能電池種類之一。目前主要的 CIS 薄膜太陽 電池生產技術是採用濺鍍法，成本較高，但是 6 月底時，美國矽谷的 Nanosolar 公司宣佈已研發成孕 H 金屬箔為基板，以印刷的方式生產 CIGS 薄膜太陽能 電池的技術，可大幅降低生產成本[29]。

2.CdTe(碲化鎘)

CdTe 同樣屬於化合物半導體，電池轉換效率也不差；若使用耐高溫(~600 度 C)的硼玻璃作為基板轉換效率可達 16%，而使用不耐高溫但是成本較低的 鈉玻璃做基板也可達到 12%的轉換效率，轉換效率遠優於非晶矽材料。此外，

CdTe 是二元化合物，在薄膜製程上遠較 CIS 或 CIGS 容易控制，再加上可應 用多種快速成膜技術(如蒸鍍法)，模組化生產容易，因此容易應用於大面積 建材，目前已經有商業化產品在市場行銷，轉換效率約 11%。不過，雖然 CdTe 技術有以上優點，但是因為鎘已經是各國管制的高污染性重金屬且原 料蘊藏量有限，因此此種材料技術未來發展前景仍有陰影存在，使其尚無法 普及到家計用戶[4]，而以發電廠為主。

碲化鎘太陽能電池的製程一開始與矽薄膜太陽能相似，先在玻璃基板上 形成 TCO，再利用成本較低的技術如 CSS 法或 VTD 等方法形成 CdS 層與 CdTe 層，並塗佈一層 CdCl2達到活性化效果[26]。在結構上，CIGS 太陽能 電池結構與其他薄膜太陽能電池最大的不同處在於其玻璃基板是在最底層，

非在受光面，如圖 3.7。

圖 3.7 薄膜太陽能電池結構比較 資料來源:IEK、IBTS 整理[26]

3.GaAs Multijuction(多接面砷化鎵)

在單晶矽基板上以化學氣相沉積法成長 GaAs 薄膜所製成的薄膜太陽能 電池，因為具有 30%以上的高轉換效率，很早就被應用於人造衛星的太陽能 電池板。新一代的 GaAs 多接面(將多層不同材料疊層)太陽能電池，如 GaAs、

Ge 和 GaInP2 三接面電池，可吸收光譜範圍極廣，轉換效率目前已可高達 39%，

是轉換效率最高的太陽能電池種類，而且性質穩定，壽命也相當長。不過此 種太陽能電池的價格也極為昂貴，帄均每瓦價格可高出多晶矽太陽能電池百 倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，預期並不會成為商業生產的主流 [29]。

4.色素敏化染料

色素敏化感染料電池是太陽能電池中相當新穎的技術，產品是由透明導 電基板、二氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質和 ITO 電極 所組成。此種太陽能電池的優點在於二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜，

又可以利用印刷的方法大量製造，基板材料也可更多元化。不過目前主要缺 點一是在於轉換效率仍然相當低(帄均約在 7~8%，實驗室產品可達 10%)，且 在 UV 照射和高熱下會出現嚴重的光劣化現象，二是在於封裝過程較為困難 (主要是因為其中的電解質的影響)，因此目前仍然是以實驗室產品為主。然 而，基於其低廉成本以及廣泛應用層面的吸引力，多家實驗機構仍然在積極 進行技術的突破[29]。在美國，接受軍方合約的 Konarka 公司，則強調其以 Roll-to-Roll 技術進行塑膠薄膜型可饒式染料敏化太陽能電池的開發，如圖 3.8 所示。在中國、台灣、韓國之大學或公家機構都有針對基礎研究或邁向實用 化，而嘗詴製作大面積模組(中國)或塑膠基板(韓國)的染料敏化太陽能電池，

期待能早日達到實用效果。此外工研院自 2002 年投入染料敏化太陽能電池 的開發以來，積極建立各元件材料的開發與製程技術，同時積極與國內產學 研究專家合作，成果豐碩；目前已建立 TiO₂漿料配方、陽極多孔性薄膜、陰 極薄膜、離子液體合成、電解質配方及封裝技術等多項自主性技術，並以自 行開發材料製作出高穩定性的染料敏化太陽能電池模組，其光電轉換效率已 達到世界水準[23]。

圖 3.8 塑膠薄膜可饒式染料敏化太陽能電池 資料來源:美國 konarka 公司

5.有機導電高分子

有機導電高分子太陽能電池是直接利用有機高分子半導體薄膜(通常厚 度約為 100nm)作為感光和發電材料。此種技術共有兩大優點，一在於薄膜製 程容易(可用噴墨、浸泡塗佈等方式)，而且可利用化學合成技術改變分子結 構，以提昇效率，另一優點是採用軟性塑膠作為基板材料，因此質輕，且具 有高度的可撓性。目前市面上已經有多家公司推出產品，應用在可攜式電子 產品如 NB、PDA 的戶外充電上面，市場領導者則是美國 Konarka 公司。不 過，由於轉換效率過低(約 4~5%)的最大缺點，因此此種太陽能電池的未來發 展市場應該是結合電子產品的整合性應用，而非大規模的太陽能發電[29]。

二、矽薄膜與化合物半導體薄膜電池特性比較

目前薄膜種類許多，如表 3.3 整理所示，其中，現階段主流矽薄膜與化合 物半導體薄膜比較可發現，矽薄膜材料上用量少而供應無虞，化合物半導體發 電穩定性較佳，但有環保上之憂慮。CIGS 吸光頻率範圍較廣、商用轉換率較 高。目前太陽能電池仍以結晶矽為主，因上游原料短缺，薄膜矽用量較少具發 展潛力、應用範圍廣，市場佔有率明顯升高，如圖 3.9 所示 c-Si 將逐年降低，

而薄膜與新概念之太陽能電池將越具競爭力。而常用的成膜技術有化學氣相沉 積法、濺鍍法、蒸鍍法、快速成膜技術。簡述製程如圖 3.10 薄膜太陽能電池 製程流程。

圖 3.9 薄膜太陽能電池市佔率預測圖 資料來源:[4]

表 3.3 矽薄膜與化合物半導體薄膜太陽能電池比較

矽薄膜 Amorphous 化合物半導體

CIGS CdTe

主要材料 矽 銅、銦、鎵、硒化合

物

碲、鎘化合物 光吸收層厚度 0.2~0.5μm <1μm 1μm 光吸收能力

1.非直接能隙材料，可 吸收的光譜有限。

2. 吸 光 頻 率 範 圍 為 1.1~1.7eV。

1.直接能隙材料，吸 光範圍廣。

2. 吸 光 頻 率 範 圍 為 1.02~1.68eV。

1.直接能隙材料，吸光 範圍廣。

2. 吸 光 頻 率 範 圍 為 1.45eV。

發電穩定性

1.穩定較差，有光衰 竭現象。

2.Tandem 技術可改 善光衰竭現象。

穩定性高，且無光衰 竭現象。

穩定性高，且無光衰竭 現象。

商用轉換效率 5~8% 10~12% 8.5~10.5%

材料特性

矽甲烷為主要原料，

因 用 量 少 而 供 應 無 虞。

1. 硒 / 銦 為 少 數 金 屬，難以應付全面 性 大 量 的 市 場 需 求。

2.緩衝層硫化鉻具潛 在毒害。

1.碲為少有金屬，難以 應付全面性大量的市 場需求。

2.鎘、碲為有毒金屬，

受限環保法規及消費 心理障礙。

材料控制性 產 業 界 用 矽 技 術 成 熟。

四 元 素 難 以 精 準 控 制。

二 元素較 CIGS 易控 制。

材料成本 高品質 TCO 玻璃價 格高。

靶 材 成 本 會 比 基 板 高。

材料成本約佔五成。

常用成膜技術

1.化學氣相沉積法 (CVD)。

2.濺鍍法

(sputtering)。

濺鍍法(sputtering)。 1.蒸鍍法(Evaporating)。

2.適用多種快速成膜技 術。

資料來源：資策會 MIC，2009/01[28]

圖 3.10 薄膜太陽能電池製程流程 資料來源:慶聲科技[13]