共蒸鍍銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池之發展現況及未來展望

為因應石化燃料對全球環境的巨大影響，全力推展乾淨無污染的能源刻不容緩，太陽光電已成為目前世界各國關注的焦點，近年來銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池具有高效率、低成本的潛力，有機會取代成本昂貴的矽晶圓太陽電池。目前正處於CIGS產業發展的關鍵期，唯有掌握關鍵技術才能降低製造成本，進而推行永續的綠色能源。本文旨在探討CIGS太陽電池之技術發展，同時介紹幾種不同CIGS吸收層製程的優缺點，並進一步分析共蒸鍍製程的產業現況及未來展望。

現今市場上的太陽電池仍以矽晶圓太陽電池為主，但目前製造成本仍高，因此低成本的薄膜太陽電池趁勢而起，除了具備可大面積化、低溫製程的優點，且只需少量的吸收材料（~數微米）。目前薄膜太陽電池的主要材料有銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)、非晶/微晶矽薄膜(a-Si/μ-Si)，以實驗室單一電池的最高轉換效率而言，CIGS 、CdTe 及a-Si/nc-Si/nc-Si（堆疊式結構）分別可達19.9%、16.5% 及12.5%；至於模組轉換效率，若以正式發表轉換效率來討論，仍然以CIGS 的13.4% 為最高，其次是CdTe 模組10.9%，矽薄膜模組的效率最低為8.2%，其相關面積及發表機構可見表一；在模組的數據，部分廠商有更前瞻效率的製程， CIGS 模組效率可能已經達到14 %。

CIGS 製程之發展現況
CIGS太陽電池發展已經有了30年以上的歷史，雖然進展的腳步並不算快，但現有CIGS 薄膜太陽電池光電換效率已相當接近20%，已足以支撐產業化所需的技術，而且實際長時間使用不衰減及擁有亮黑色的外觀，讓CIGS 的應用層面更為寬廣。CIGS 的能源回收時間相對於多晶矽而言也有優勢，在產能為10 MW 時，多晶矽需要2.6年的時間才得以回收，而CIGS 只需要1.2年即可回收；當產能擴展到100 MW，多晶矽仍需要1.5 年才得以回收，而CIGS只需要0.9年則可回收。CIGS材料本身多元複雜，不過對於缺陷的容忍性極高，因此許多差異化的製程使用在CIGS太陽電池上都有不錯的結果，其中真空製程具有良好的製程控制能力，非真空製程擁有大量製造的優勢，各種製造技術推陳出新，令人驚訝的是，不論是共蒸鍍及濺鍍模組最好效率都已經超過13%，讓各界為之振奮。而電鍍硒化技術及漿料塗佈硒化技術在小面積的電池也已突破10% 的基本門檻，然而大面積的模組效率仍然不佳，無論是真空或非真空製程，分別代表玻璃及軟性基板之結構示意圖，為了因應不同的應用層面，也在元件結構上做了部分調整，各有其優缺點，詳述如下。


CIGS 太陽電池結構

1. 基板
便宜的鈉玻璃目前依舊是CIGS 太陽電池的首選，玻璃內部鈉離子的擴散是目前被認為提升效率及良率最簡單的方式，其整體製程類似目前的LCD 面板製程，採用全自動In-Line 製程，可提高製程穩定性，而且在後續的玻璃封裝技術較為容易，長時間使用穩定性較高，玻璃基板所製造CIGS 的轉換效率也較高，目前實驗室所發表的世界紀錄還是以玻璃製造為主，但缺點是體積較大、重量較重，因此第二種改良製程採用可撓曲式基板也趁勢而起，一般搭配全自動捲式(Roll-to-Roll)製程，產能輸出大幅提升，也可大幅降低成本，其中可撓曲軟性基板包括可耐高溫製程的不鏽鋼箔(Stainless Steel Foil)、鋁箔(Al Foil)、銅箔(Cu Foil)、鈦箔(Ti Foil)等金屬箔已被廣泛使用，研究機構中以日本AIST 及德國ZSW 發展較佳， AIST 在厚度20μm 之Ti-foil 基板上，小面積電池最高轉換效率可達17.4%，其他量產公司(Global Solar、Nano Solar、Solopower)也均朝此方向發展。另外一種方法是使用有機聚合物(Polyimide)基板等，有機聚合物的耐溫極限大約在400℃ 左右，只能使用低溫製程，較佳的CIGS 長晶溫度卻要到550℃，美國Ascent Solar 及德國Solarian 都在進行低溫製程改善CIGS 的晶體品質之方法，但是軟性材質的模組效率仍待改善，且必須考量封裝可靠度的問題。

3. CIGS 吸收層技術
此技術可以區分為兩大部分：(1)單一階段製程：以真空共蒸鍍製程為代表；(2)連續二階段製程：真空濺鍍、電鍍及漿料塗佈技術，再加上後續的硒化處理，都屬於二階段製程。共蒸鍍單一階段製程擁有較佳的成分控制能力，也較容易設計不同能帶漸變的結構，可以實現較佳的轉換效率，是共蒸鍍製程的優勢之一，直到目前為止，小面積高效率(>17%) CIGS太陽電池大都是利用共蒸鍍製程製作。

5. 透明導電層
元件結構最上層為透明導電薄膜，由於ITO 之成本較高，透明導電氧化物薄膜較常被使用，大多採用硼、鋁、鎵、銦摻雜之ZnO，其中又以鋁摻雜（俗稱AZO）最受商業化歡迎，其同時具備高導電性、高溫度穩定性、無毒性及成本低廉的優點。透明導電薄膜在波長350~1250 nm 必須具備高穿透度，以減低太陽光之吸收，為了提高穿透度，有時還會加入抗反射層，常使用的材料為MgF2抗反射層，減少光在入射表面的反射損耗；此外，還需有良好的導電性質，減少電阻所造成的損失，以利電子的收集。AZO 一般使用真空濺鍍製程，優點在於容易控制製程、低溫成長、大面積化、易成長附著佳且品質良好的薄膜，如此可獲得具有較佳導電特性(~4×10-4 Ω-cm)且平均穿透度大於90% 之透明導電薄膜


AZO 薄膜成長於SLG 基板之穿透度頻譜圖

共蒸鍍CIGS 太陽電池產業近況
提到產業必須由應用端來看，大致可以分為幾種不同的應用：
1.太陽能電廠(Solar Farm)
市場需求量較大，基本上建置在較空曠的地區，最重要就是最低成本的需求，但有時會有較惡劣的環境，故需因地制宜，可能會有自潔、除污、耐磨、耐水、耐雪的需求，就目前而言，玻璃封裝CIGS 的模組通過IEC等的20年認證並非難事，而CIGS未來成本預估有機會達到每瓦0.5~1 美元，對於CIGS 模組需求將有突破性的成長。

4. 太空、攜帶式電池特殊應用
發展輕薄短小的太陽電池，CIGS 模組已有多家量產公司製作在軟性基材上，一般採用Roll-to-Roll 製程，高產率可以大幅降低製程成本，且可以客製化模組，無論是消費性電子產品、太空應用或軍事用途的產品，都是CIGS 主攻的項目。上至太空科技、下至民間需求都可以看見龐大的應用市場，由技術面來看，CIGS 太陽電池幾乎能夠滿足所有應用端的需求，以下介紹目前已有量產規模的共蒸鍍CIGS 大廠。

德國Würth Solar 目前仍是共蒸鍍CIGS的領導者，量產模組大小為60 cm×120 cm，使用玻璃基板及In-line 共蒸鍍製程，模組效率一般已經可以達到11% ，目前的產能約為30 MW，另外試量產線模組效率已達到13~14 %，已接近多晶矽模組效率，其執行長B. Dimmler 在PV Taiwan 2009上也宣稱兩年後讓14% 的模組上市，無論是否能如期達成，總是留下許多期待。