第一章、 導論
3. CuInGaSe2 薄膜太陽能電池的動機與優勢
圖 2 太陽能電池種類[51]
3.CuInGaSe2 薄膜太陽能電池的動機與優勢
圖 3 各太陽能電池效率演進
4
如圖 3，各類型的太陽能電池經過長期的發展，光電轉換效率上已有大幅度 的成長，其中 CIGS 薄膜太陽能電池具有以下特點：(1)CIS(CuInSe2)薄膜的能隙為 1.04eV，通入適量的 Ga 取代 In 可在 1.04~1.67eV 之間連續調整能帶寬度。
[2](2)CIGS 是一種直接能隙材料，其可見光的吸收係數高達 105cm-1數量級，相較 於矽基系列(mono-Si, a-Si)，更多了約 100 倍以上的吸收，非常適合做為薄膜太陽 能電池的吸收層，見圖 4[3]。(3)技術成熟後，製造成本和回收時間將遠低於晶體 矽太陽能電池。(4)抗輻射能力強。(5)高光電轉換效率，目前 CIGS 的最高轉換效 率已達 20.3%，是所有薄膜太陽能電池中的最高紀錄，效率演進整理如表 1。(6) 電池穩定性佳，效率穩定幾乎不衰減。(7)弱光特性好。因此 CIGS 薄膜太陽能電 池可望成為新一代太陽能電池的主流產品之一。
圖 4 吸收係數比較圖
表 1 CIGS 太陽能電池效率演進
Eff.(%) Size(cm2) Co./Lab Publish Process Remark
20.3 0.503 ZSW 2010 Co-evapo.
20.0 0.41 NREL 2008 Co-evapo.
15.2 7128 Showa Shell 2007 Sputtering Cd free 14.1 6500 Wurth Solar 2010 Co-evapo.
13.1 5400 Avancis 2003 Sputtering
10.2 8390 Global Solar 2005 Co-evapo. Flexible
5
CIGS 太陽電池的製程相當多種，大致可分為共蒸鍍法、金屬預製層後硒化法 以及非真空沉積方法和混合法技術；目前 CIGS 太陽能電池中最高效率是以共蒸鍍 法製作而成，美國 NREL 和 ZSW 均利用共蒸鍍三步法[4]製備出轉換效率逾 20%
以上之太陽能電池，雖共蒸鍍法製作出的薄膜品質良好，且具有高光電轉換效率 的特點，但以共蒸鍍法量產大面積 CIGS 薄膜所耗的成本相當高，因此以商業需求 而言，此製程的成本仍過於昂貴。
另一主流技術是金屬預製層後硒化法，金屬預製層的製作方式分為真空技術 和非真空技術，真空技術包含濺鍍法(Sputtering)以及蒸發法(Evaporation)，非真空 技術則有電沉積(Electrodeposition)、噴灑熱解法(Sprat pyrolysis)和化學鍍膜法(Paste coating)，如圖 5 所示。其中濺鍍預製層後硒化法已成為目前獲得高效率太陽能電 池元件的主要技術。
硒化製程的硒源大多使用 H2Se，氣態 H2Se 能分解成原子態的 Se，其活性大 且用於 Cu-In-Ga 預製層化合反應可得到高品質的 CIGS 薄膜，的特性目前使用 H2Se 硒化最成功的技術是快速退火技術（RTP），德國的 Shell sloar GmbH 用此法製備 30cm x 30cm 的模組轉換效率已達到 14%以上，且已能夠進行量產。雖 H2Se 具有 相當良好的反應活性，但 H2Se 作為硒源的最大缺點是有劇毒且易揮發，需要以高 壓容器儲存。
由於 H2Se 作為硒源會產生劇毒，因此採用固態硒源作為硒化的硒源，以此作 為硒源的優點是無毒、廉價，但其缺點是硒活性較差，需要對其施以外加能量激 發，但基於操作人員的安全性考量，無毒硒化製程的研發是相當重要的。
6
圖 5 後硒化技術製備 CIGS 薄膜的流程圖[4]
除共蒸鍍法與硒化法外，尚有許多如蒸鍍/濺鍍混合法[5]、光誘導合成法[6,7]、
噴霧高溫分解法[8]等…技術。