薄膜太陽能電池

銅銦鎵硒(CIGS) 薄膜太陽能電池

江建志 蔡松雨 劉振邦

工研院綠能所

薄膜太陽能電池

• 依材料分類

• 矽薄膜 : 非晶矽、微晶矽、低溫多晶矽。

• 化合物半導體薄膜 : 鍗化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)、

銅鋅錫硫(CZTS)、砷化鎵。

• 其他 : 有機太陽能電池(OPV) 、染料敏化太陽能電池(DSSC)、

鈣鈦礦太陽電池(Perovskite)

• 全球主要薄膜太陽電池目前以CdTe 產量最大，CIGS近年成長最快。

• 就技術成熟度，光電效率材料製程成本，應用範圍評估，CIGS

最具發展潛力。

什麼是CIGS太陽能電池

I-III-VI groups：

CuInS

、Cu(In,Ga)S

CuInSe

、Cu(In,Ga)Se

CIGS 是由銅銦鎵硒或硫四元構 成吸收層的化合物半導體電池:

C : Copper I : Indium G : Gallium

S : Selenium (or Sulfur )

CIGS太陽電池的優點

高光電轉換效率，僅次於矽基太陽電池。cell :22.6%(ZSW), module 16.5%(TSMC solar)

吸收波長寬廣，介於UV至IR之間(300-1300nm)，相較於矽基可接收更大範圍的光源。

可於低入射角(如建築應用)，及弱光(如陰天)，有較好的發電效率。

輕、薄、可撓，溫度對效率影響較低。

低成本，module成本介於0.3-0.5USD/W(依產線規模變動)

Solliance評估， 15%效率的CIGS 相當於19%的c-Si ，模組成本可低於0.4$/Wp。

CIGS v.s. c-Si 長效性能測試

Reference:Solar Frontier

CIGS v.s. c-Si溫度效應

商用

全球市場與產能

 2014年全球CIGS產能約4GW，但產量僅約2GW。

 主要產能分布在德國(Avancis, wurth solar)，日本 (Solar frontier)，

中國(Hanergy，Global solar, Miasole’, )與美國(Nanosolar)

 依據Solarbuzz評估，薄膜太陽電池佔比逐年增加，CIGS最具發展潛 力，預計2018年可達到8GW的市場。

電廠 商用

家用

還沒有明確答案的問題

可攜式電源 建築型應用

分散式電廠

 效率與成本

 主流市場或利基市場

 經營策略與商業模式

CIGS的發展與重要專利

1974 1980 1988 1995 2000

Bell Lab Evaporated CIS/CdS

Boeing CIS Bi-Layer Process

Boeing Evaporated (Cd,Zn)S buffer

NREL

CIGS Absorber 3-stage process

ARCO Solar (Siemens Solar) CBD CdS buffer CIGS by Selenization

1984, 1987, 1988

Showa Shell

CBD-Zn(O,S,OH)x Buffer CIGSeS by sulfurization After selenization

Matsushita Electric has a few original IPs on nano-particle and vacuum absorber in 1987- 1997

(more than 120 patents)

1996

Electroplating

Honda CBD (InS)

2001

2004

Nanosolar 、ISET

2007 2010 2013 2016

ITRI

• Nano Particle

• CBD Equip. Design

• CIGS Absorber 三年累積共申請25件專利

重要IP：吸收層材料與製程、緩衝層材料與製程、硒化及硫化製程。

真空製程

非真空製程

ZSW co-evapor. 20.3%

*TSMC : module 15.1%

*TSMC : module 15.7%

*TSMC : module 16.5%

*Samsong SDI : module 16.0%

ZSW co-evapor. 22.6%

ZSW co-evapor. 21.7%

*EMPA co-evapor. 20.4%

*Solar frontier sputter. 20.9%

*Solar frontier sputter. 22.3%

CIGS製程技術與基板

玻璃 金屬箔 塑膠(PI)

真空

共蒸鍍 Würth Solar(manz)

Solibro(漢能) 太陽海*

Global Solar (漢能)

Solyndra*

Ascent Solar

Solarion (華新科) Flisom (EMPA)

濺鍍

Solar Frontier Honda*

Avancis(凱盛科技) Stion

綠陽*

台積太陽能*

新能 正峰*

豪客

Miasolé (漢能)

Midsummer

非 真空

印刷 ISET

NANOCO

Nanosolar*

ISET

ITRI

ISET

電鍍 Odersun*

SoloPower

第一代CIGS 第二代CIGS 第三代CIGS

基板

製程

資料來源：工研院IEK

世界CIGS主要投入廠商

策略、技術、財務

台灣CIGS產業概況

 曾經有10餘家投入技術發展，至去年實際生產僅有台積太陽能 (30MW/100MW)，新能(30MW)，豪客(30MW)，綠陽(30MW)

 台積太陽能2015年4月創CIGS模組效率16.5%新紀錄，2015年8月 中止營運。

 2015年豪客能源CIGS太陽能模組轉換效率近 14%，獲SGS認證。

日本Solar Frontier的發展概況



Solar frontier成立於2006年，其前身是Showa shell(1978年起投入PV研發)

 自2007年開始商業銷售CIGS PV模組，2014年前90%是國內市場，2016 年後50%成功推向海外市場，目前在全球47個國家中已安裝2,000萬片CIS 模組，累計容量達到3 GW。

 宮崎縣國富町廠年產能900MW(全球最大)，東北廠150MW

 採濺鍍H2Se硒化，H2S硫化製程技術，使用玻璃基板。

 Solar Frontier 在2015年宣布0.5cmX0.5cm小電池效率22.3%世界紀錄，目

前量產模組平均效率為 13.8%，最佳模組轉換率 14.6%。Solar Frontier 同

時表示成本可壓低到加計折舊US0.4/W，未加計折舊 US0.3/W 。

中國漢能集團的發展與問題

共蒸鍍製程@玻璃基板 Cell 效率 : 21%

Module 效率 : 16.2%

規劃產能 : 145MW(2016)

共蒸鍍製程@不鏽鋼基板 Cell 效率 : 17.7%

Module 效率 : ~14.7%

@7870cm² 規劃產能 : 50MW(2016)

濺鍍硒化製程@不鏽鋼基板 Cell 效率 : N.A

Module 效率 : ~17%

規劃產能 : 100MW(2016)

 漢能集團(Hanergy)成立於1994年，業務包括水力發電，風力發電，薄膜太陽 能，員工超過1萬人。

 2012年起收購Solibro、Miasole 、 Global solar 等國際大廠。

 2014年財務危機，2015年香港股市停止交易，

2016年集團重整，仍面臨巨大財務危機及商譽衝擊。

 由電廠到BIPV到電動車，充電站，3C應用。

漢能薄膜規劃的10GW產能技術占比 [資料來源：Solarbuzz]

國際真空共蒸鍍製程現況

Using co-evaporation method Cell efficiency : 19.9%

( at 0.42cm² on glass ) No production planning or scheduling

Using co-evaporation method Cell efficiency : 22.6%

( at 0.5cm² on glass )

High efficiency processes transfer to Wurth solar and Manz.

Using co-evaporation method Cell efficiency : 20.4%

( at flexible substrate ) No production planning or scheduling

大面積量產良率問題，設備成本高。

國際真空濺鍍製程現況

Using sputtering metal precursor Cell efficiency : N.A.

Module efficiency : 16.5%

( 645mmX1645mm glass substrate) Average module efficiency : ~13%

Using sputtering metal precursor Cell efficiency : 22.3%

( at 0.5cm² on glass ) Module efficiency : 30cmX30cm : 17.8%

Average module efficiency : ~13%

(640mmX1240mm glass substrate) Cd free buffer layer : ZnS,(O,OH)

真空濺鍍製程目前模組成本(約0.6-0.8 USD/Wp)，

材料使用率不高，真空設備昂貴。

Solibro, MiaSole, Global solar Sold to China’s Hanergy

Cell efficiency : 17.3%

( at 0.5cm² on s.s foil ) Module efficiency : ~15%

(connect with 34 modules to form 1.68m² s.s. substrate)

*Ink material: Cu, In, Ga oxide nano-particles

Cell efficiency : 14.3%

( at 0.098cm² on glass ) 16cmX16cm : 12%

On flexible substrate:

Molybdenum Foil 13.0%

PI Foil (Upilex) 10.4%

Stainless Steel Foil 9.6%

**Ink material: Cu, In, Ga binary selenide Cell efficiency : 17.1%

( at 0.47cm² on Al foil )

Sub-module efficiency: 11.34%

(218.9 cm²~15cmX15cm)

***Ink material: Cu, In, Ga oxide nano-particles

Cell efficiency : 14.5%

(at 0.141cm2 on metal foil ) 10cmX20cm : 13.98%

**Using Cd-free materials as the buffer layer

→ InS/CIGS : 13%

→ ZnS/CIGS : 14.5%

資料來源:*www.isetinc.com/pdf/tech_white_paper4.pdf

**www.nanosolar.com/sites/default/files/NanosolarCellWhitePaper.pdf

***Teodor K. Todorov, Oki Gunawan, Tayfun Gokmen, David B. Mitzi. Progress in Photovoltaics, in press

國際非真空製程 Benchmark

 國外印刷製程CIGS廠商以ISET(氧化物)或Nanosolar(硒化物) 為主，採用CdS緩衝層。

 工研院採用氧化物奈米漿料、不銹鋼基板與無鎘緩衝層，轉換效率達14.5%(約0.14cm²)。

非真空製程為目前全世界認為最有機會達到模組成本0.4USD/Wp以下之技術。

不銹 鋼卷

CIGS 蒸鍍製程

ZnO/AZO 濺鍍製程

批次式 CIGS元件 R2R濺鍍

設備

Ag電極 網印製程

R2R線性蒸 鍍設備 Mo電極

濺鍍製程 阻障層

噴塗製程 R2R噴塗 設備

基板 清洗 乾燥 真空蒸鍍

CdS/ZnS CBD製程 不銹

鋼卷

CIG 前驅物 塗布

ZnO/AZO 濺鍍製程

批次式 CIGS元件

R2R濺鍍設備 批次式

浸鍍製程 I-V量測

Ag電極 網印製程

塗布設備

批次式濺 鍍製程

批次式網印+

烘乾製程 Mo電極

濺鍍製程 Cr阻障層

濺鍍製程

金屬基材原料 基板 清洗 乾燥

CIG 前驅物 硒硫化 硒/硫化 設備

CdS/ZnS CBD製程

真空與非真空CIGS吸收層製程技術差異

真空製程與非真空製程主要差異在於吸收層之 材料/製程/設備差異

非真空製程優勢在於

材料使用率高

設備成本較低

放大面積製程容易

非真空塗布

Cost (USD/W)

各功能層厚度及所需材料/製程

集流用金屬電極 抗反射用

透明導電層(上電極) 緩衝層(n 層)

光吸收層(p層) 下電極

基板

CdS

光吸收層

功能:

CIGS為直接能隙的p-type半導體，表面可利用鎵或硫離子摻雜來提高 能隙。高光吸收係數(>10⁵

cm

關鍵因素:

組成均勻，晶粒大且緻密，厚度均勻，鎵離子濃度梯度自表面至底部

需求性能:

高品質晶粒: carrier density>10¹⁶ (cm^-3)，life time~200ns ，表面(約 200nm)高Ga/(In+Ga)比。

高品質、 高效率(~15%) 、大晶粒CIGS 低品質、 較低效率(~11%) 、小晶粒CIGS

光吸收層製程

共蒸鍍系統示意圖 濺鍍製程示意圖 非真空塗布製程示意圖

高 低 低 材料利用率

高 高

中-高 濺鍍金屬層

濺鍍硒化法

中 高

高 無

共蒸鍍法

輸出速率 轉換效率

設備成本 前驅物種類

CIGS 成膜技術

高 中

低-中 奈米粒子

奈米粒子印刷法

硒/硫化製程

簡介:

硒/硫化製程是CIGS製程中最重要的一道製程，此製程決定了吸收層的晶粒大

小、組成分布、甚至可以決定光電轉換效率，主要是藉由硒/硫的氣氛下，將金

製程種類:

一般硒硫化製程分為快速熱退火(RTP)硒化與H2Se/H2S熱處理兩種。

RTP熱處理:

使用固態硒源加熱。優點是產速快，缺點是氣氛均勻性控制不易，

無法調整晶粒組成導致效率不高。

H2Se/H2S熱處理:

使用H2Se/H2S進行硒/硫化。優點是可藉由氣氛控制得到高效率元件，

缺點是反應時間長(8-10小時)，批次管狀爐反應產速慢與溫度均勻性須提升。

需求性能:

利用硒化後硫化方式提高S/Se比例。提高元件表面band gap解決開路電壓 (Voc)過低之問題 。提高產速，開發具毒氣防護、大面積、高溫度均勻性 之硒/硫化設備。

(a)

等距離加熱區 溫度均勻性高

d₁=d₂=d₃

全封閉系統具毒性氣體防護

d₃ d₄ d₁ d₂

d₀ T₁=T₂=T₃

耐硒化石英腔體

傳統石英管爐側視圖

氣體反應區

氣體反應區

d

尺寸越大溫度差異越大，產物良率不佳

石英管式硒化爐 高效硒化設備

製程時間 長(約30min/pcs) 短(約15min/pcs) H₂Se使用量 多(約0.28M³/pcs) 少(約0.03M³/pcs)

設備總價 高(數千萬元) 低(1000萬元以下)

溫度均勻性 低(±10℃) 高(±3℃)

關鍵硒/硫化設備

傳統硒/硫化設備(quartz furnace) 工研院開發之新型硒/硫化設備

緩衝層

功能簡介:

緩衝層為n-type半導體，緩衝層必須與吸收層能隙匹配，形成足夠厚度的 空乏區（Depletion region）。緩衝層可避免CIGS在高能量的 ZnO 濺鍍過 程中被破壞，沉積過程亦可在CIGS 上進行表面鈍化作用。

發展現況:

目前最常被使用的緩衝層材料為CdS，CdS 與 CIGS 層間適度的Cd擴散反 應有助於電池效能提升。近年來各研發機構均投入環保的無鎘緩衝層材料，

並依無鎘材料組成微調進行pn界面的性能調整。

需求性能:

大面積下覆蓋完整且無孔洞的緩衝層，鍍膜設備具高材料使用率，低廢液 量(溶液法)，製程時間短，鍍膜厚度均勻，厚度約30-50nm，高穿透度 T>85%。

緩衝層製程

傳統CBD (Dipping process)

緩衝層製程比較 CBD SCBD

鍍膜品質 覆蓋均勻性 普通 佳

成本

化學品成本 高 低(1/5)

設備成本 高 低(1/2)

廢液量 高 低 (1/5)

製程

背面清洗 需要 否

氣泡問題 有 否

製具/夾具 需要 否

產率 製程時間 較長 短(1/2)

Inlet Cap Outlet

O-ring

Heater Shallow Chemical Bath Deposition

Patent US8539907 Solution

Sample

工研院開發之新型SCBD製程與設備

60cmX120cm

上電極

功能簡介:

透明導電層(ITO,AZO,BZO..等)為CIGS薄膜太陽能電池最上層結構，同時兼做 上電極(front contact)與光入射視窗層，在波長350-1250 nm必須具備高穿透度，

降低光穿透過時的被吸收，並且要有良好的導電性質，減少因電阻造成的損失。

關鍵因素:

 選擇適合的濺鍍參數，兼具高導電與高透光

 適當的基板溫度

 適當的沉積氣氛

 搭配元件製作，選擇適合的薄膜厚度

 增加攙雜元素提高導電或透光度，或使兩者兼具

需求性能:

滿足大面積均勻性，良好導電性、附著性及高穿透度，

例如 450 nm 的AZO層厚度，穿透度

大於85%

片電阻可低於

35Ω/□

下電極

功能:

鉬電極由於具有良好的化學穩定性、高機械強度、低電阻率及高熔點等功能，

還具有高熱傳導係數及低熱膨脹係數的優點。且其與CIGS薄膜之間具有良好的

歐姆接觸特性，適合做為CIGS的下電極。

關鍵因素:

藉由調整功率及工作氣壓等鍍膜製程參數控制，製備具有良好附著性、較佳之

導電性及平坦的表面之雙層金屬鉬電極。此雙双層結構具耐硒化特質，上層可 滿足良好導電性、下層具高附著性。

需求性能:

滿足大面積均勻性，良好導電性、附著性，濺鍍後金屬鉬總厚度約0.5~1μm，

片電阻小於0.2 Ω/sq間，且能通過CIGS後段製程中，550℃硒化過程的嚴苛條件 而不剝落。

玻璃基板上濺鍍雙層鉬背電極

關鍵技術問題與突破構想

關鍵技術問題:

a.小電池相關電性及效率需再提升

b.提高大面積高效率電池分布之均勻性

c.減少模組化過程因串並聯所造成之電性損失

技術突破構想:

a. 提高元件表面band gap，增加Ga/In比例，或是以硒化後硫化方式提高S/Se比例。

解決開路電壓(Voc)過低之問題 。

b. 改善各層均勻性，降低各層介面contact resistance，以提升短路電流(Jsc) c. FF提升方案 :

元件表面roughness改善，使用etching or polishing 改善表面平整度。

d. 以自動化設備取代人工操作，減少製程不穩定之因素。

e. 次模組表面電流收集最適化，包含電極材料、形狀、電極間距離設計等。

CIGS產業未來發展要素

資金

：

依據Greentech Media (GTM)評估未來扮演薄膜太陽電池重要廠商，擁有充沛 的資金是必須的，可能的廠商是： Solar Frontier、漢能( Hanergy)、 SK

Innovation、 台積太陽能(TSMC)、 現代(Hyundai)、LG、三菱(Mitsubishi)、三 星( Samsung) 或 Nanosolar的收購者。

成本

：

開發低成本高效率的技術。Solar Frontier 表示成本可壓低到加計折舊US0.4/W，未 加計折舊US0.3/W 。

效率

：

Sharc25計畫為例（super high efficiency CIGS thin-film solar cells approaching 25%）

，由德國研究機構ZSW為首，共有八個國家11個合作夥伴加入，並由Horizon 2020 框架計畫中取得460萬歐元(約NT$1億6仟萬元)的資金，瑞士政府則提供額外的160 萬歐元(約NT$5仟5佰萬元) ，目標以共蒸鍍法使CIGS太陽能電池效率提升至25%。

產品定位

：

過去 CIGS量產後立刻面臨傳統矽晶產品的效率與價格競爭，這也是過去CIGS廠 商失敗的主因。在研發的同時，思考適合技術特性（如可撓、輕量等）以定出應 用市場方向，才能使得研發過程更有效率。

參考資料：王孟傑,IEK/IT IS,2015年8月

未來的技術挑戰

 吸收層效率的再提升

 硒硫化製程的改善及High through put製程設備

 無鎘緩衝層的導入與高原料利用率的生產設備

 大面積化技術精進，降低小面積/次模組/量產尺寸效率差距

 製程與設備的標準化

 良率與可靠度

 應用設計

結語

 CIGS solar cell 是目前薄膜太陽能電池中最具效率與成本優勢的太陽 能電池。

 市場樂觀成長，但在主流市場(電廠)尚無法與矽基太陽電池競爭，而 利基市場(BIPV，Mobil，Portable)尚不具規模且分散。

 日本Solar Frontier是全球唯一較大規模(1GW)的實質量產銷售的公司

，其他大多是數十至數百MW的小型或試量產。

 多種製程技術同時發展，尚未能定論，資金的支撐是目前競爭市場中 存續的重要因素之一。

 在技術上有大幅提升空間，實驗與量產效率落差仍大。

 製程與設備標準化才有利規模的放大與成本的降低。

 未來的挑戰和競爭還是在大面積效率，成本，與市場定位/商業模式。

謝謝

敬請指教