薄膜太陽能原理及技術發展

一. 技術原理

太陽電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把 光的能量轉換成電能，此種光電元件稱為太陽電池(Solar Cell)。從物理 學的角度來看，有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡稱 PV)，其中的 photo 就是光(light)，而 voltaic 就是電力(electricity)。

太陽電池的種類繁多，若依材料的種類來區分，可分為單晶矽 (single crystal silicon)、多晶矽(poly-crystal silicon)、非晶矽(amorphous silicon，簡稱 a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP) 、磷 化鎵銦(InGaP) ]、Ⅱ-Ⅵ族[包括：碲化鎘(CdTe) 、硒化銦銅(CuInSe２)]

等。

太陽電池的發電原理，可以用一構造最簡單的單晶矽太陽電池來說 明。所謂的單晶矽，就是指矽原子與矽原子間按照順序規則的排列。我 們知道，矽(Si)的原子序為 14，其電子組態為 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，

其中內層的10 個電子(1s2 2s2 2p6 )，被原子核緊密的束縛著，而外層 的4 個電子(3s2 3p2 )受到原子核的束縛較小，如果得到足夠的能量，

則可使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，矽原子外層的這四個電子

又稱為價電子，而矽的晶體結構是屬於鑽石晶體結構(diamond crystal 又稱為受體(acceptor)，而一個摻入三價雜質的半導體，即稱為 p 型半 導體。

二. 薄膜太陽能電池技術發展

1. 非晶系矽太陽能電池(Amorphous silicon, a-SI)

此類型光電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為 p-i-n（或 n-i-p）偶及型式，p 層跟 n 層主要座為建立內部電場，I 層則 由非晶系矽構成。由於非晶系矽具有高的光吸收能力，因此I 層厚度通 常只有0.2 ~ 0.5μm。其吸光頻率範圍約 1.1 ~ 1.7eV，不同於晶圓矽 的1.1eV，非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度低，因此電子與 電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極高，為必免此現象 發生，I 層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，

此類型光電池長採多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸光與光電效率。

這類型光電池先天上最大的缺失在於光照使用後短時間內性能的 大幅衰退，也就是所謂的SWE 效應，其幅度約 15 ~ 35﹪。發生原因 是因為材料中部份未飽和矽原子，因光照射，發生結構變化之故。前述 多層堆疊方式，亦成為彌補SWE 效應的一個方式。

非晶型矽光電池的製造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）

製造矽薄膜。基材可以使用大面積具彈性而便宜材質，比如不銹鋼、塑 膠材料等。其製程採取roll-to-roll 的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高 品質導電玻璃層價格高，以至其總製造成本僅略低於晶型太陽能電池。

至於多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了電池成本。

綜合言之，在價格上不太具競爭優勢的前提下，此類型光電池年產量再 過去三年仍呈現快速成長，2003 年相較於 2002 年成長了 113﹪，預期 此趨勢將持續下去。

為了降低製造成本，近年有人開發已VHF 電漿進行製膜，製程速 度可提升5 倍，同時以 ZnO 取代 SnO2 作為導電玻璃材料，以降 TCO

成本，預計未來製程順利開發成功，將可使非晶型矽光電池競爭力大幅 提高。展望未來此型光電池最大的弱點在於其低光電轉化效率。目前此 型光電池效率，實驗室僅及約13.5﹪，商業模組亦僅 4 ~ 8﹪，而且似 乎為來改善的空間，可能相當有限。

2. 銅銦鎵二硒太陽能電池(Copper Indium Gallium Diselenide, CIGS)

此類型光電池計有兩種：一種含銅銦硒三元素（簡稱CIS），一種

其载體亦可使用具可撓性材質，因此製程可以roll-to-roll 方式進行。目 前商業化製程是由shell solar 所開發出來，製程中包含一系列真空程 國 NREL 亦成功開發一種三步驟製程（3-stage process），在實驗室非常 成功，獲得 19.2﹪光電效率的太陽能電池。不過由於該製程相當複雜，

花費亦大，咸認放大不易。

綜合而言，CIGS 在高光電效率低材料成本的好處下，面臨三個主

3. 鎘碲薄膜太陽能電池(Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，

CdTe)

不乏具量產可行性的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學蒸 鍍（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、網印（screen-printing）、電 流沉積法（galvanic deposition）、化學噴射法（chemical spraying）、

密集堆積昇華法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中電 流沉積法是最便宜的方法之一，同時也是目前工業界採用的主要方法。

沉積操作時溫度較低，所耗用碲元素也最少。

CdTe 太陽能電池在具備上述許多有利於競爭的因素下，在 2002 年其全球市佔率僅0.42﹪，2000 年時全球交貨量也不及 70MW，目前 CdTe 電池商業化產品效率已超過 10﹪，究其無法耀昇為市場主流的原因，大 至有下列幾點：ㄧ、模組與基材材料成本太高，整体 CdTe 太陽能電池材料佔 總成本的 53﹪，其中半導體材料只佔約 5.5﹪。二、碲天然運藏量有限，其總 量勢必無法應付大量而全盤的倚賴此種光電池發電之需。三、鎘的毒 性，使人們無法放心的接受此種光電池。

4. 矽薄膜太陽能電池(Thin Film Silicon Solar Cells)

最早開發此型光電池是在1970＇s，至 1980＇s 方有大的突破。

其矽結晶層的厚度僅5~50 毫米，可以次級矽材料、玻璃、陶瓷或石墨 為基材。除了矽材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由於電子與電 洞傳導距離短，因此矽材料的純度要求，不若矽晶圓型太陽能電池高，

材料成本可進一步降低。由於矽材料不若其他發展中光電池半導體材 料，具有高的吸光效率，且此型光電池矽層膜，不若矽晶圓型太陽能電 池矽層厚度約達 300 微米，為提高光吸收率，設計上需導入光線流滯的 概念，此點是與其他薄膜型光電池不同之處。

此類型光電池之製備方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，

LPE）、許多型式的化學蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學蒸鍍

（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強化化學蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學 蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法 無一引用至工業界，雖然如此，一般咸信常壓化學蒸鍍，應具備發展為 量產製程的可能性。上述蒸鍍法，操作溫度區間在 300~1200℃，主要 依據基材材料而定。

此型光電池光電效率實驗室最高已達21﹪，市場上只有

Astropower 一家產品，當基材使用石墨時，效率可達 13.4﹪，由於石 墨材料價格昂貴，目前研究工作大底有三個方向：一、使用玻璃基材；

二、使用耐高溫基材；三、將單晶矽層半成品轉植至玻璃基材。日本的 三菱公司已成功運用此方法，成功製備100 ㎝ 2，光電效率達 16﹪的 元件。整體而言，此類型光電池系統的發展仍處於觀念可行性驗證時 期，實驗室製備技術是否能發展成具經濟效應的量產程序，是人們關注 的另一重點。

5. 【染料敏化太陽能電池】Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC

此型光電池可是源自19 世紀，人們照相技術的理念，但一直到超 過100 年後的 1991 年，瑞士科學家 Gratzel 採用奈米結構的電極材料，

以及適切的染料，組成光電效率超過7﹪的光電池，此領域的技術研究 開發，才引起大家積極而熱烈的投入。此項成功結合奈米結構電極與染 料而創造出高效率電子轉移介面的技術，跳脫傳統無材料固態介面設 計，可說是第三代太陽能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel 教授授權，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價電層電

子受光激發，要昇至高能階層，進而傳導至奈米二氧化鈦半導體的導電 光電池製備技術，Gratzel 等，於 1996 年發展出三層式的 monolithic cell structure，採用碳電極取代一層 TCO 電極，各層的製備可直接沉積在另 一層 TCO 上。玻璃並非必然的基材，其他具撓屈性透明材料亦可使用，

因此 roll-to-roll 的製程亦可應用於此類型電池製備。德國的 ISE 公司已 發展出包含網印方式的生產流程（如下圖），製程非常簡單。關於 DSSC 的製造成本，由於該型電池為新世代產品，目前並無量產市場，因此有 不同的評估值，依據 Gratzel 1994 年的估算，如以 5﹪光電效率為基礎，

其製造成本約 US$1.0~1.3/Wp（年產能 5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996 年的鈷算則為 US$2.2/Wp/year（年產能 4MWp/year）；相較於技術 開發較久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜矽晶型

（US$1.78/Wp，25 MWp/year）兩類型，成本差距似乎不大。

DSSC 發展的最大利基，咸認在於其簡單的製程，不需昂貴設備與

使用的實測數據。二、對大面積的製備技術，有待努力發展。目前此方 面工藝研究投入較少。三、對整體電池模組細部的基礎研究，仍有許多 工作要做，此方面研究可促進產品品質與規格的確立。

高能階差半導體，光穩定性較高，因此如能以此類物質取代二氧化 鈦，學理上應較易獲得耐久性DSSC 產品，關於這方面研究，有部分 研究單位也積極投入，惟至今仍未獲得良好成果。開發新式染料以取代 目前公認最佳的染料，有機釕金屬（簡稱 N3），亦是一項熱門研究主題。

有機染料化學是發展很久的一學術與產業領域，因此許多人相信經由適 切的構思與系列實驗，應有機會開發出吸光能力比 N3 好的有機染料，

如此除可免除使用貴重的釕金屬外，染料成本也可獲得大幅降低。