非真空CIGS太陽電池之近況與展望


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非真空CIGS太陽電池之近況與展望
文/工研院綠能所 江建志、蔡松雨
隨著國內外環保綠色意識高漲,太陽光電相關產業越來越受到重視。CIGS薄膜太陽電池為各種薄膜太陽電池材料選項中最具製造成本優勢之新世代太陽電池,而 非真空奈米印刷式太陽電池的材料使用率高、製程設備較真空設備便宜,若進一步結合捲對捲製程,將可利用連續製作的優勢,使得成本大幅下降。本文將介紹目前 國外廠商或機構在非真空CIGS薄膜太陽電池製程的最新技術發展。
 
 
 

前言

太陽帶給人類光明及璀璨色彩, 其能量帶給地球溫度,使萬物生存,提供植物進行光合作用製造氧氣,自古至今,太陽與人類行為息息相關,人類仰賴太陽能源進行經濟活動,而利用太陽光照射至 特定材料產生之光致發電的行為早在19世紀時就被科學家所發現,直到1954年由貝爾實驗室開發出矽晶太陽電池後,人類對於能源的取得有了更環保的選擇。
太陽光電是一種可再生的綠色能源,在發電過程中不會產生溫室氣體及其他廢氣,對環境不會造成負擔。目前市面上的太陽電池依材料不同可分為矽基太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化太陽電池與有機太陽電池等。
隨著國內外環保綠色意識高漲及 各國政策導向,促使國內外太陽光電相關產業蓬勃發展。其中太陽電池技術的發展為各國在再生能源領域發展之重要板塊,亦為國內政府規劃重點支持之再生能源產 業技術。CIGS薄膜太陽電池為各種薄膜太陽電池材料選項中具製造成本優勢之新世代太陽電池,目前美、德、日等眾多廠商已積極擴大投資在CIGS薄膜太陽 電池技術發展。唯現有投入CIGS太陽電池生產的廠商,在製作CIGS薄膜太陽電池製程上都是利用真空製程來完成,在製程成本上還是很難低於每瓦1美元。 新型奈米印刷式太陽電池技術為近幾年世界各國極力開發的低成本太陽電池技術,其主軸以高材料使用率、低製程設備成本及高效率為目標,以取代高耗能與高材料 成本之矽基太陽電池。由於CIGS的高光吸收率優勢,使CIGS吸收層的厚度在1~2 μm即可,粗估在量產製造時,半導體材料費用只需每瓦0.03美元。另外,CIGS薄膜製作技術就設備投資成本而言,非真空製程設備投資約為真空製程的 30%,根據非真空廠商對太陽電池成本研究分析報告,非真空成膜技術將使發電成本降至每瓦0.5~0.65美元(1),相較於傳統矽晶類或其他薄膜電池, 極具成本競爭力。
以下介紹目前國際間已投入非真空製備CIGS之廠商及機構的最新狀況。
ISET
ISET (International Solar Electric Technology)投入非真空CIGS製程開發相當早,公司成立至今已有25年。該公司利用銅銦鎵氧化物為前驅物,經過球磨與分散後,形成穩定的奈米 漿料,利用塗佈的方式將前驅物沉積在玻璃或可撓式基板上,再利用氫氣將氧化物還原形成銅銦鎵合金,最後以硒化氫進行硒化。目前該公司在小面積(0.08 cm2)玻璃基板上的最高效率為14.3%,在其他可撓式基板也有不錯的效率表現(2)(表一)。ISET在2009年開始有量產的規劃,預期產能為30 MW。初期設立了一條30 cm× 30 cm的Pilot Line,其模組採用雷射與機械切割做為電池間串接的方式,以8 片次模組單元拼接成60 cm × 120 cm 的模組產品,該公司宣稱目前在30 cm × 30 cm的玻璃基板次模組單元(圖一)效率可達11.3%。
表一 ISET在各種基材上製備CIGS太陽電池的效率結果

圖一 ISET製作的30 cm×30 cm次模組單元(上)與60 cm×120 cm的模組產品(下)
Nanosolar
Nanosolar擁有近 300名員工,資產約有數十億美元。該公司在專利布局上相當完整,宣稱擁有350 項以上的專利,該公司是以奈米硒化物為漿料,搭配鋁箔為基板,再利用RTP 方式進行硒化製程。在電極佈線上,該公司選用MWT(Metal Wrap-Through)的方式進行電流收集。此方式可有效降低窗層材料的使用厚度,以及降低電極遮蔽面積,以提高電池的有效面積。另外,該公司選用鋁 箔當作基板,可與鉬背電極形成良好的歐姆接觸,也可有效降低鉬背電極的材料使用(3)。該公司於2006 年宣稱規劃430 MW的年產能,近幾年產能規劃不斷擴增與變動,但目前每年僅有115 MW的產能。2011 年底宣稱其小電池最高效率已突破17%來到17.2%,另外其次模組宣稱經認證後最高可達13.9%。該公司大面積模組是使用84 (6×14)片電池單元所組合而成的模組(圖二),效率宣稱可達11.6%,與真空製程製作的效率相當接近,但面積更大,長寬分別為2公尺與1公尺,輸出 功率可達200~240W(4)。

圖二 Nanosolar在德國建造的1.1 MW電廠(上)。其產品Utility Panel是由84片次模組所組成(下),長寬分別為2公尺與1公尺,輸出功率可達200~240W
IBM
IBM利用聯胺 (Hydrazine)製備CIGS及CZTS(銅鋅錫硫)前驅物,由於聯胺可以用來溶解難溶的硫、硒,以及金屬硫化物、硒化物。雖然對於一般金屬化合物 而言,聯胺並不是一種理想的溶劑,一般常用於火箭推進的燃料,且因其具有爆炸性,實驗需在無水的環境或手套箱中進行操作。經過IBM深入研究發現,聯胺對 於硫與硒等元素是絕佳的溶劑,一般不易溶解的硫屬化合物都可以被溶解成較小的離子,在製備CIGS太陽電池前,於調配銅銦鎵硒溶液組成比例時,可獲得更均 勻的溶液,並可藉此控制熱處理後薄膜的成分及結晶結構。其實驗步驟簡單說明如下:將銅、銦及鎵的硒化物依設定的金屬離子化學劑量比加入聯胺中與硒粉、硫粉 混合,在室溫下充分攪拌,得到所需的CIGS溶液,再利用旋轉塗佈法在鈉玻璃上形成前驅物薄膜。最後利用熱處理將溶劑蒸發並成長其晶粒,可得到緻密的 CIGS薄膜。

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