【薄膜太陽能電池的種類】

江南布衣

【薄膜太陽能電池的種類】

2009/03/0209:40

(一)薄膜太陽能電池的種類

以玻璃為基板而沒有缺料困擾的薄膜太陽能電池成為業界投資新寵

非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法，在玻璃等基板上成長厚度約一微米左右的非晶矽薄膜，即為薄膜太陽能電池，相較之下，薄膜太陽能電池材料成本雖便宜多倍，但目前技術轉換效率僅結晶矽的一半，約7%左右，轉換效率技術還有待改善。

薄膜太陽能電池，顧名思義，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，因此在同一受光面積之下可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量。

薄膜太陽能電池並非是新概念的產品，實際上人造衛星就早已經普遍採用砷化鎵(GaAs)所製造的高轉換效率薄膜太陽能電池板(以單晶矽作為基板，轉換效能在30%以上)。

 

不過，一方面因為製造成本相當高昂，另一方面除了太空等特殊領域之外，應用市場並不多，因此直到近幾年因為太陽能發電市場快速興起後，發現矽晶圓太陽電池在材料成本上的侷限性，才再度成為產業研發中的顯學。

目標則是發展出材料成本低廉，又有利於大量生產的薄膜型太陽能電池。

目前已經開發出多種薄膜太陽能電池技術，以下將目前已經商業化，或是已經有具體產品出現的薄膜太陽能電池做一簡單介紹。

非晶矽(AmorphusSilicon,a-Si)

在1980年代，非晶矽是唯一商業化的薄膜型太陽能電池材料。

非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強，而且利用濺鍍或是化學氣相沉積方式在玻璃或金屬基板上生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉，材料成本相對於其他化合物半導體材料也便宜釵h；不過缺點則有轉換效率低(約5~7%)，以及會產生嚴重的光劣化現象(就是在受到UV照射後會使得轉換效率大幅降低)的問題，因此無法打入太陽能發電市場，而多應用於小必v的消費性電子產品市場。

不過在新一代的非晶矽多接面太陽能電池(MultijuctionCell)已經能夠大幅改善純非晶矽太陽電池的缺點，轉換效率可提升到6~8%，使用壽命也獲得提昇。

由於發展歷史相當長，目前市場上絕大多數的薄膜太陽能電池都是用非晶矽作為主要材料，而未來在具有成本低廉的優勢之下，仍將是未來薄膜太陽能電池的主流之一。

微晶矽(NanocrystallineSilicon，nc-Si，也被稱為MicrocrystallineSilicon，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。

CIS/CIGS(銅銦硒化物)

CIS(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)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%，標準環境測試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(就像印報紙)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。

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，因此此種材料技術未來發展前景仍有陰影存在。

GaAsMultijuction(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，平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。

色素敏化染料(Dye-SensitizedSolarCell)

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(平均約在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。

有機導電高分子(Organic/polymersolarcells)

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。

(二)小辭典／薄膜太陽能電池

太陽能電池是將太陽能轉換成電能的儲存裝置，以供無陽光時放電使用，被視為21世紀重要新興能源。

太陽能電池分非晶矽、單晶及多晶三種。

 

單晶及多晶的結晶矽太陽能電池為目前市場主流，轉換效率約15%上下；矽晶圓材料佔電池成本約達六成以上。

 

非晶矽即為薄膜太陽能電池，以電漿式化學氣相沈積法，在玻璃等基板上成長成非晶矽薄膜，材料成本雖較便宜，但目前技術轉換效率僅約7%左右，轉換效率技術有待改善。

(三)太陽電池種類及材料

 

種類
半導體材料
Cell轉換效率
Module轉換效率

矽
結晶矽
單晶矽(晶圓型)
15-24%
10-14%

多晶矽

(晶圓型、薄膜型)
10-17%
9-12%

非晶矽
a-Si(薄膜型)
8-13%
6-9%

化合物半導體
二元素
GaAs(晶圓型)
18-30%

CdTe(薄膜型)
10-12%

三元素
CuInSe2(薄膜型)
10-12%

有機半導體
1%以下

資料來源：「太陽電池與系統技術綜論」，洪傳獻，電工通訊(2001/03)

(四)基板關鍵技術發展

大樓的帷幕牆由於強調景觀視覺，具有可撓性且透視度高是相當重要的因素，薄膜太陽光電電池所做的BIPV產品正好具有這項特色，也使得許多業者相當看好未來太陽能電池將會藉由薄膜產品應用面的擴大而大幅增加產品的用量。

 

這兩年上游多晶矽材料缺乏，所導致整體產業鏈價格飛漲的情形，可看出矽晶圓太陽能電池所面臨的最大問題乃是材料成本太高—一方面是因為多晶矽原料雖然是一般的砂(SiO2)，但是純化過程中需要規模龐大的廠房，耗費大量的能源才能辦到(然而多晶矽純化製程污染問題嚴重，耗電量高，以台灣環評不確定性高、評估時間冗長，不利廠商設廠)，因此單位成本並不便宜，生產上也無法快速因應需要增加產能；

 

另一方面，由於物理性質的限制，目前用矽晶圓製造太陽能電池目前最少也要200μm的厚度，因此在製造大面積發電模組時對矽原料的用量也相對龐大。

 

所以薄膜太陽能電池節省材料(厚度可低於矽晶圓太陽能電池90%以上)，可在價格低廉的玻璃、塑膠或不鏽鋼基板上製造，甚至可以RolltoRoll方式大量生產大面積太陽能電池的特性，在業界持續尋求降低生產成本的要求上，加上具有可撓性，容易搭配建築外牆施工等其他優點下，已廣被看好將是未來的明星產品。

 

基板關鍵技術發展

 

軟性顯示器在結構上最大的差異具備可以彎曲的特性，也因為這項特性要求，過去所採用的玻璃基板材質並不是最佳的選擇方案。

 

為此各國紛紛展開其他材料的基板研究，依照目前發展來看，解決方案一共可分為三種：

 

（1）開發超薄化玻璃基板；

 

（2）開發薄型化金屬基板；

 

（3）開發塑膠基板材料。

 

（1）薄型化玻璃基板

 

目前由玻璃工廠所提供最薄的玻璃為0.5mm，隨著應用不同，面板廠商開始試著將玻璃研磨到0.2mm或是以下的厚度來使用，當厚度低於某種程度之後，可以看到玻璃基板開始具備可彎曲的特性，因此部分業者嘗試開發搭配超薄玻璃基板的軟性顯示器。

 

從2006年日本橫濱展會場上也可以清楚看到，業者目前正積極開發超薄化TFT-LCD，薄型化的技術包含了超薄背光板開發與超薄玻璃基板開發，以Sharp的產品為例LCD的面板厚度為0.89mm，若扣除背光板的厚度約為0.3~0.4mm，玻璃厚度估計只有0.2mm已經達到具備彎曲的特性。

（2）薄型金屬基板技術（Metal-Foil）

所謂的薄型金屬基板，其基板厚度低於0.1mm，採用這樣的基板主要在於金屬基板具備幾個優點：

 

1、耐高溫製程：目前金屬基板的耐溫性遠高於塑膠與玻璃，至少有1000℃以極為適合各種高溫的製程，與塑膠相比熱膨脹係數（CTE）更為接近玻璃，因此在電路圖樣定位方面比較不容易發生問題。

 

2、具備阻水阻氧的功能：由於金屬基板本身無法穿透空氣與水氣，不似塑膠材料易讓水氣及氧氣穿透的問題發生，所以並不需要進行任何阻水阻氧鍍膜處理，降低處理步驟。

 

3、具備R2R(Roll-to-Roll)的製程可能性：金屬本身已經具備極佳的延伸性，因此極為適合利用R2R的生產流程。

 

(RolltoRoll方式大量生產大面積太陽能電池的特性)

 

4、成本低廉與取得方便：在材料成本方面，目前金屬的價格要遠比特殊耐高溫的塑膠材料來得低（約是塑膠的30%），而且用在平面顯示器上時，不需要鍍上許多特殊的防水氣防氧氣保護層，實際運用成本會比用塑膠來得更低。

 

目前採用此種基板的研究單位，就屬美國的普林斯頓大學及裏海大學最為積極，其中裏海大學曾發表出利用金屬為基材並於上面進行TFT電路的製造，並且證實所得到的組件性能將更為優良，也實際展出在不銹鋼上軟性顯示器成品及電性數據。

 

然而以金屬基板做為軟性顯示器最大的挑戰，就是材料表面粗糙度的克服，未來如能克服表面粗糙度的問題，將可使採用金屬基板的相關研究成果大幅成長。

（3）塑膠基板材料進展

雖然薄型化玻璃幾乎已經達到可以商品化的階段，然而過高的拋光成本與無法搭配R2R的製程方式卻是嚴重的致命傷，金屬基板受限於表面處理技術仍有待開發，塑膠基板則成為最多廠商選擇的材料。然而要達到可以商品化的階段，塑膠基板須具備下列的要求。

 

1、光學穿透率須達到90%：須具備高的光學穿透率，至少需要達到90%以上，同時希望在進行ITO層等鍍膜之後，透光率還能夠達到80%以上。

 

2、耐高溫與抗UV特性：能夠具備抗高溫的製程與抗UV老化的特性要求。

 

3、硬度要求（Hardness）：通常需要達到6H以上的要求。

 

4、ITO阻抗：對於AMOLED來說ITO阻抗須低於50奧姆/□。

 

5、阻氧阻水氣特性要求：阻氧特性至少須達到10-5cc/m2.day.atm，阻水氣要求則是要達到1ug/m2.day。

 

6、表面平滑度（Roughness）：須達到2nmRMS之下。

 

7、低成本：我們預估最少在2010年須達到每平方米40~60美元的程度才具備價格競爭力。

 

在上述的基板特性要求中，其中最需要解決的問題在於提升塑膠基板的耐熱性，以TFT-LCD製程為例，整個過程中基板需要面臨到300到400℃的高溫製程，每道製程對於塑膠基板來說將是一大的考驗，解決這個問題除了開發低溫薄膜製程之外，開發能夠耐高溫的塑膠基板材料也是選擇方案。

 

傳統TFT-LCD製造流程在部分製程中如：活化過程(ActivationProcess)可能會面臨到高達700℃，或在GateInsulatorDensification階段需要長時間將基板放於500℃高溫製程中達到1小時以上，面板生產過程中將面臨多次的高溫製程的挑戰。

 

然而傳統的塑膠材料受限於本身材質並不具備耐高溫的特性要求。

 

因此，業者首先從現有的塑膠材料中挑選幾款特性較佳的塑膠材料進行研發，PET、PES與PEN等材料都有業者嘗試作成塑膠基板，然而其Tg溫度約在200℃甚至更低難以抵擋高溫製程，雖然這些塑膠材料廣泛用於傳統的塑膠產業，成本與價格取得上具備優勢，但是由於耐熱性不佳，目前尚無法正式使用。

DuPont則是嘗試開發可以耐高溫的PI基板材料，初步測試其Tg高達340℃、但本身的穿透率卻只有30%，與90%的要求相差過大。

Sumitomo則是開發一種新的塑膠基板材料(FRP)，其Tg可以達到350度、CTE為14（ppm/℃）且穿透率也高達90%以上，是目前在各方面的性能表現都有達到當為塑膠基板的基本要求的產品，但是最佳的解決方案目前仍仰賴更多資源的投入

(五)太陽電池產品應用例表

功能功率容量應用範例
取代電池1mW以下電子計算機、小型玩具、手錶

1mW~1W收音機、錄音機、馬達驅動玩具、感測器、道路標誌

小型電源1W~50W庭園燈、排熱風扇、電腦之蓄電池組、各種標示用照明器材

100~1kW陰極防蝕之外接電源、無線電接收裝置、海上標示用照明器材

大型電源1kW~20kW各種告示燈、個別住戶電源系統

200kW~1MW集合住戶電源系統、小型工廠電源系統

1MW以上太陽光發電廠
建築一體200kW~1MW建築帷幕、遮棚

引用：http://tw.myblog.yahoo.com/jw!AP9wGuGRExx3VxObNh._l3s-/article?mid=1482