淺談薄膜太陽能電池及銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池(solar)量產瓶頸

全球的電力,約80%都還是經由火力來發電,而燃燒所產生的二氧化碳,造成溫室氣體效應,氣候變遷、空氣污染問題以及資源日趨短缺之故,而早在1970年代,美國太空就已有太陽能發電做為動力供應主要來源,近年以矽晶圓為主的太陽能電池市場快速成長的原因。然而矽晶圓為主的太陽能發電技術其成本畢竟高出傳統電力產生方式甚多,因此目前市場均致力於投入太陽能相關技術的研究,企求開發出新的物質,能降低產品成本並提升效能。

薄膜式太陽能電池由於只需使用一層極薄光電材料(約150~300um),相較於矽晶圓必須維持一定厚度而言,材料使用非常少,而且由於薄膜是可使用軟性基材,應用彈性大,如果技術能發展成熟,其市場面將較矽晶方式寬廣許多。基於此,薄膜式太陽能電池目前在市場上有量產大致上分為三類,分別為: (1).矽薄膜(Silicon TF) (2).碲化鎘(CdTe) (3)銅銦鎵硒(CIGS)。
本文將就數種薄膜式太陽能電池,就技術面、發展潛力與可能瓶頸提出概括論述。

薄膜太陽能電池有許多不同的類型,如非晶矽(a-Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)化合物以及多接面型式的薄膜太陽能電池,下列為各薄膜太陽能優勢比較表:

製程CIGSCdTeα-Si
優勢易大量生產低成本Wild application
生產速率高材料成本低flexible
可大面積製程製程溫度低 
可撓材質成本低 
best cell19.88%16.50%12%
best module13%11%8%

資料來源:2008,04,ITRI, 材料與化工所

在薄膜太陽能電池中,以CIS(Copper Indium Diselenide)或是CIGS(Copper Indium Gallium Diselenide)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。

資料來源:2008,04,ITRI, 材料與化工所

各類型太陽能電池的市場需求將與日遽增,且各技術皆以降低成本和提高光電轉換效率為研究方向。其中又以薄膜CIGS太陽能電池為現階段最具有取代矽晶太陽能電池的可能。在目前CIGS,有下列幾點為主要特點:
a. 薄膜太陽電池中,CIGS是目前具有最高效率的電池之一。
b. 現階段CIGS電池主要量產技術仍以真空製程技術為主,但難以克服大面積及降低成本問題。
c. CIGS非真空製程技術雖具有降低成本以及提高材料使用率的優點,但各方式都具有難以克服的關鍵問題皆仍待解決。如CIGS晶粒成長…等。

在CIGS量產製程中,有三大重點目標:
a. 降低生產成本(提昇良率)
b. 提升轉換率(CIGS 成份的黃金比率及最佳化厚度)
c. 大尺寸面板塗佈的均勻性

而如何能有效快速及科學化的方式來改善製程中三大重要目標,能邁科技提供的解決方案是值得參考的,其方為使用XRF做CIGS成份及厚度檢測,能邁科技所提供的設備,與一般的XRF在設計上不同,將XRF的檢測光學系統做模組化的設計,如下圖:

能邁科技XRF採用模組化設計,在整個產品系列上就能將X ray檢測頭加裝在不同應用裝置上,而做不同應用,以完美滿足在設廠不同階段各種檢測上需求。

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