太陽能電池 Solar cells

CIGS太陽能電池簡介

 

一般認為在未來的20到25年內，石油產量將達到高峰，之後便會開始下滑。開發中國家如中國、印度的發展，將加速石油消耗，讓石油需求達到史上新高。因此，再生能源如太陽能電池的發展，在未來數十年內扮演重要角色。

 

太陽能電池的基本構造如圖。接合P型以及n型的半導體後，在接面會因為載子擴散形成內建電場Ebi，電場方向為n型半導體至p型半導體。當太陽光照射時，光子激發價帶的電子，形成電子電洞對。電子與電洞受內建電場的影響，分別被拉往N型與P型半導體，聚集在兩端，與內建電場平衡後形成一開路電壓Voc，若用導線連接兩端，則可形成迴路發電。

 

CIGS薄膜型太陽能電池的優勢

 

過去10年內，世界太陽能電池的年產量以每年35%速度增加，其中結晶矽型太陽能電池佔有最大比例。然而矽原料連年缺乏，一般認為結晶矽型太陽能電池將達飽和，而「薄膜型」太陽能電池的產量在未來10年將有顯著成長。薄膜太陽能電池有較低的製造成本，且有「可繞曲」的特性，而銅銦鎵硒（Cu(InxGa1-x)Se2，CIGS）材料具較高的吸光係數，以更少的材料即可達到相同吸光率，在成本上更具優勢。同時，CIGS為目前效率最高的薄膜太陽能電池，實驗轉換效率可達20%。

 

CIGS太陽能電池製程簡介

 

早在1970年代初期，美國貝爾實驗室便開始硒化銅銦（CuInSe2，CIS）薄膜型太陽能電池之性質展開研究。之後在1980年代初期，美國波音公司使用蒸鍍法製備世界上第一個CIS太陽能電池，經過不斷的製程改良，其光電轉換效率達12%，在當時被公認為最有力之材料。直到1990年代後期，美國再生能源研究室NREL在CIS中摻雜鎵(Ga)元素，也就是現在大家所熟知的CIGS，其光電轉換效率更是大富提昇，早在2001年便已近20%大關。CIGS研發概念是藉由調變CIS（能隙為1.02eV）以及CGS（能隙為1.637eV）之比例，來控制薄膜內的能隙。一般來說，Ga/(In+Ga)=0.2~0.3與Cu/(In+Ga)=0.8~0.9是CIGS的最佳成分。目前做得較好的CIGS使用蒸鍍製程。

 

 

目前CIGS薄膜太能電池的基本架構，主要是依循著1980年代初期波音公司所開發出來的架構。首先在鈉玻璃（SLG）上鍍製一層鉬（Mo）電極。選擇鉬是因為鉬為高熔點金屬，在高溫製程下較為穩定。另外，在所有高熔點金屬中，鉬的導電性與反射率僅次於鎢（W），又比鎢容易製作。鉬亦可和CIGS型成歐姆接觸，大幅地降低金屬半導體接合時的接觸電阻。在鍍製鉬電極後，再將CIGS鍍上，使之成為p型CIGS薄膜。鈉玻璃的鈉元素會擴散至CIGS中，能提升太陽能電池的光電轉換效率。值得一提的是CIS/CIGS是目前唯一不會因為摻雜鈉元素而導致效率下降的太 陽能電池。接著再將n型之硫化鎘以化學浴沈積法（Chemical bath deposition, CBD）方式沈積於CIGS上，此為CIGS太陽能電池的雛型。其上為複合式氧化鋅層，有效的降低漏電流，並提升了CIGS的光電轉換效率。以氧化鋁摻雜之氧化鋅來做透明導電電極，也大幅降低了CIGS薄膜太陽能電池的成本。

 

 

 

 

 

 

本實驗之研究成果

 

 

 

本實驗室著重在開發各種有潛力的CIGS製程，以符合高效率大面積的產業需求。本實驗室設備完善，並自行開發各個膜層結構，目前已可製備8.02%轉換效率之CIGS薄膜太陽能電池。

 

 

延伸閱讀

 

Present status and future prospects of CIGSS thin film solar cells”, Neelkanth G. Dhere, Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006)