染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 011 化合物半導體太陽能電池簡介

(一) I-Ⅲ-Ⅵ族 銅銦鎵二硒太陽能電池
銅銦鎵二硒太陽能電池(copper indium gallium diselenide solar cells，CIGS或CIS)嚴格的說應有有兩種，一種含銅銦硒三元素(簡稱CIS)，一種含銅銦鎵硒四元素(簡稱CIGS)。因為1977年的研究(Maine大學)材料由原先銅銦硒三元素，但後來演變至四元素銅銦鎵硒。因為四元素銅銦鎵硒具有較高之轉換效率，因此幾乎沒有使用三元之組合，但仍有人習慣稱為CIS。
CIGS太陽能電池構造示意圖
CIGS因為高光電效率及低材料成本，被許多人看好。原因是它為直接能隙材料，藉由調整各元素之比例，可形成N型或P型，CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收範圍可調整大小由1.02ev至1.68ev，可加以利用於多層堆疊模組，已近一步提升電池組織效能。此外由於高吸光效率，光電材料厚度不需超過1μm，99%以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量產製造時，所需半導體原物料可能僅只US$0.03/W。CIGS光電池其結構有別於非晶型矽光電池，主要再於光電層與導電玻璃間有一緩衝層(buffer layer)，該層材質通常為硫化鉻(CdS)。其載體亦可使用具可撓性材質，因此製程可以捲繞(roll-to-roll)方式進行。理論效率可達到～30%，加上高吸光係數，吸收層材料使用量使之低材料更少。在實驗室完成的CIGS光電池，光電效率最高可達19.2%，電池結構為P型CIGS與N型CdS搭配透明電極。大尺寸之模組目前亦可達約13%。
CIGS雖有許多優點，但面臨到銦蘊藏量有限、硫化硒、與鎘的毒性，加上四元材料複雜難以精準控制，都是造成此類電池無法大量生產的主要關鍵。目前商業化製程是由Shell solar 所開發出來，製程中包含一系列真空程序，所以硬體投資與製造成本均相當高昂，粗估製程投資一平方公尺約需33美元。實驗室常用的同步揮發式製程，不具商業化可行性。另一家ISET公司開發非真空技術，嚐試利用奈米技術，以類似油墨製程(ink process)嘗試層狀加工。美國NREL 則是開發一種三步驟製程(3-stage process)，在實驗室非常成功，獲得19.2%光電效率的太陽能電池，但製程相當複雜。
DayStar與 Honda Motor公司的CIGS薄膜太陽能電池
現階段CIGS能量產的生產線都是在2006年才開始設置。2007年的產能總計超過100MWp，Johanna Solar 的30MW量最大， 2008年達60MW的產量。日本Showa shell Sekiyu K.K 目前產量為20MW，2009超過70MW。德國的Avancis 20MW、Würth Solar 30MW，另外還有很多即將進入市場的廠商 ，且大多使用低成本的捲繞製程。一般認為，CIGS太陽能電池，當其模組效率為14%時，發電成本約每瓦1.7美金，透過大量生產與製程技術，或許在2013年時，模組效率15%時，發電成本可以降至每瓦1美金。
Istar Solar的低成本CIGS太陽能電池捲繞製程
使用CIGS太陽能電池的Brunton Solaris 62
Solar options for tents
(二) Ⅲ-Ⅴ族 砷化鎵太陽能電池
GaAs Multijuction(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。
GaAs Multijuction構造示意圖
(三) Ⅱ-Ⅵ族 碲化鎘太陽能電池
典型的碲化鎘太陽能電池(cadmium telluride solar cells，CdTe)結構體吸收層是由約2μm層的P型CdTe層與厚度只0.1μm的N型CdS形成，光子吸收層主要發生於CdTe層，吸光效率細數大於105㎝-1，因此僅數微米厚及可吸收大於90%的光子。CdS層的上沿先接合TCO，再連接基材，CdTe上沿則接合背板，以形成一個光電池架構。因為是直接能隙材料，因此僅需數個微米之厚度，即可將太陽光完全吸收。但是因為材料成本過高、碲蘊藏量有限與鎘的毒性，產品商品化的能力受限。
First solar CdTe薄膜太陽能電池
尚德太陽能科技公司的碲化鎘薄膜太陽能電池產品
至於薄膜加工已知的方法有濺鍍法(sputtering)、化學蒸鍍(CVD)、ALE(atomic layer epitaxy)、網印(screen-printing)、電流沉積法(galvanic deposition)、化學噴射法(chemical spraying)、密集堆積昇華法(close-packed sublimation)、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中電流沉積法是最便宜的方法之一，同時也是目前工業界採用的主要方法。沉積操作時溫度較低，所耗用碲元素也最少。目前已知為製備高光電效率CdTe光電池，不論電池結構如何，均需要使用氯化鎘活化半導體層，方法上可採濕式或乾式蒸氣法。乾式法較為廠商所採用。
碲化鎘薄膜太陽能電池最早開發於Kodak公司，1982年時發表其光電轉換效率為10%，目前實驗室達成的最高效率是17%。而大尺寸之模組目前最高約11%。CdTe太陽能電池在2000年時總產能不過70MW，但是美國的First solar 經過幾年的努力後，透過大尺寸化降低成本，加上設置模組回收基金與完善之回收機制，成功打入德國市場 。2004年1.4MW、2005年25MWp、2006年100MW到2007年更達200MW的數量，其產量與中國大陸的尚德太陽能科技公司 相當。另一家德國廠商Antec Solar相形之下就顯的保守多了，2007年僅7 MWp，而2008年加入的廠商僅有四家 ，其餘廠商仍處於觀望的狀態是否有新的技術可以提升效率以及材料是否還有降價的空間，畢竟此類產品仍需要一個完善的回收機制。
碲化鎘薄膜太陽能電池
Antec Solar公司太陽能電池生產廠房
(四) CZTS太陽能電池
CZTS(Cu2ZnSnS4)太陽能電池是這幾年才開始研究的新型太陽能電池材料。型態上與CIS系很像，但是能使用的材料要豐富的多，成本也較便宜。2006年日本的長岡工業高等專門學校發表光變換效率5.74%的CZTS。