關(guān)于太陽能電池的基礎(chǔ)知識(shí)

1、關(guān)于太陽能電池的基礎(chǔ)知識(shí)太陽能發(fā)電【前言】s由于全球氣候變遷、空氣污染問題以及資源日趨短缺之故，太陽能發(fā)電做為動(dòng)力供應(yīng)主要來源之一的可能*，已日益引起人們注目，這也是近年以硅晶圓為主的太陽能電池市場(chǎng)快速成長(zhǎng)的原因。然而硅晶圓為主的太陽能發(fā)電技術(shù)其成本畢竟高出傳統(tǒng)電力產(chǎn)生方式甚多，因此目前市場(chǎng)仍只能局限于特定用途，也因此世界上主要的研究單位，均致力于投入太陽能相關(guān)技術(shù)的研究，企求開發(fā)出新的物質(zhì)，能降低產(chǎn)品成本并提升效能。薄膜式太陽能電池由于只需使用一曾極薄光電材料，相較于硅晶圓必須維持一定厚度而言，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用軟*基材，應(yīng)用彈*大，如果技術(shù)能發(fā)展成熟，相信其市場(chǎng)面將較硅晶

2、方式寬廣許多?；诖耍∧な教柲茈姵氐陌l(fā)展，在上一世紀(jì)僅展很快。# + C2 h' z8 E* u: K本文將就數(shù)種薄膜式太陽能電池，就技術(shù)面、發(fā)展?jié)摿εc可能瓶頸提出概括論述，由于篇幅限制以及個(gè)人才疏學(xué)淺，疏漏錯(cuò)失之處，尚祈大家指正。在介紹薄膜式太陽能電池之前，首先本文想先介紹目前市場(chǎng)上最主要產(chǎn)品硅晶圓太陽能電池，簡(jiǎn)述其以目前能在市場(chǎng)居于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的原因。"【硅晶圓太陽能電池】自1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了具備6光電效率的電池后，隨著集成電路的發(fā)展，此類型一直是市場(chǎng)的主角，其市占率從未低于80，如果只考慮供電超過超過1kW的市場(chǎng)，更幾乎是100。究其原因大概可分為三方面：一、成

3、本與價(jià)格；二、模塊的效率；三、產(chǎn)能規(guī)模與利用率。由于科技的進(jìn)步，包括了晶圓厚度、切割技術(shù)、晶圓尺寸，以及晶圓價(jià)格，均有長(zhǎng)足的改善，自1960s以來，以此類電池發(fā)電，單位瓦數(shù)（watt）成本已下降約50倍，目前價(jià)格約為US2.5 3 / watt。依據(jù)美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室的報(bào)導(dǎo)，薄膜太陽能電池的制造成本在過去10年亦呈大幅下降，趨勢(shì)比硅晶圓還快，不過至今一般而言，其價(jià)格仍約高于硅晶圓式50。硅晶圓單一電池系統(tǒng)目前實(shí)驗(yàn)室光電效率已達(dá)25，與理論值29非常接近。商業(yè)化產(chǎn)品的光電效率自1970s以來也有長(zhǎng)足進(jìn)步，近年以達(dá)約12。這項(xiàng)技術(shù)成果，相對(duì)而言，是多數(shù)薄膜技術(shù)所不及之處。. I生產(chǎn)成本往往深受

4、生產(chǎn)規(guī)模影響，太陽能電池也不例外。比較硅晶圓式與薄膜式，一般而言，目前產(chǎn)能規(guī)模前者約是后者10倍，因此固定成本可大幅分?jǐn)?。其次是產(chǎn)能利用率而言，目前硅晶圓式生產(chǎn)廠商，由于這幾年市場(chǎng)年年大幅成長(zhǎng)，平均產(chǎn)能利用率約達(dá)80，而薄膜式廠商僅約40。這使得硅晶圓式更具生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)力，成為市場(chǎng)上的一支獨(dú)秀。2 o/【非晶系硅太陽能電池】Amorphous silicon solar cell此類型光電池是發(fā)展最完整的薄膜式太陽能電池。其結(jié)構(gòu)通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為建立內(nèi)部電場(chǎng)，I層則由非晶系硅構(gòu)成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2 0.5m。其

5、吸光頻率范圍約1.1 1.7eV，不同于晶圓硅的1.1eV，非晶*物質(zhì)不同于結(jié)晶*物質(zhì)，結(jié)構(gòu)均一度低，因此電子與電洞在材料內(nèi)部傳導(dǎo)，如距離過長(zhǎng)，兩者重合機(jī)率極高，為必免此現(xiàn)象發(fā)生，I層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電池長(zhǎng)采多層結(jié)構(gòu)堆棧方式設(shè)計(jì)，以兼顧吸光與光電效率。4 Q0 l3 C" w2 g/ l$ b這類型光電池先天上最大的缺失在于光照使用后短時(shí)間內(nèi)*能的大幅衰退，也就是所謂的SWE效應(yīng)，其幅度約15 35。發(fā)生原因是因?yàn)椴牧现胁糠菸达柡凸柙?，因光照射，發(fā)生結(jié)構(gòu)變化之故。前述多層堆棧方式，亦成為彌補(bǔ)SWE效應(yīng)的一個(gè)方式。非晶型硅光電池的制造方式是

6、以電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍法（PECVD）制造硅薄膜?；目梢允褂么竺娣e具彈*而便宜材質(zhì)，比如不銹鋼、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高質(zhì)量導(dǎo)電玻璃層價(jià)格高，以至其總制造成本僅略低于晶型太陽能電池。至于多層式堆棧型式，雖可提升電池效率，但同時(shí)也提高了電池成本。綜合言之，在價(jià)格上不太具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的前提下，此類型光電池年產(chǎn)量再過去三年仍呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)，2003年相較于2002年成長(zhǎng)了113，預(yù)期此趨勢(shì)將持續(xù)下去。6 A/ g# L6 z( j9 Q* 為了降低制造成本，近年有人開發(fā)已VHF電漿進(jìn)行制膜，制程速度可提升5倍，同時(shí)以ZnO取代SnO2作為導(dǎo)電玻璃材料，以

7、降TCO成本，預(yù)計(jì)未來制程順利開發(fā)成功，將可使非晶型硅光電池競(jìng)爭(zhēng)力大幅提高。展望未來此型光電池最大的弱點(diǎn)在于其低光電轉(zhuǎn)化效率。目前此型光電池效率，實(shí)驗(yàn)室僅及約13.5，商業(yè)模塊亦僅4 8，而且似乎為來改善的空間，可能相當(dāng)有限。  G7 q. T2 T5 h+ ?8 6 , m【銅銦鎵二硒太陽能電池】Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells此類型光電池計(jì)有兩種：一種含銅銦硒三元素（簡(jiǎn)稱CIS），一種含銅銦鎵硒四元素（簡(jiǎn)稱CIGS）。由于其高光電效率及低材料成本，被許多人看好。在實(shí)驗(yàn)室完成的CIGS光電池，光電效率最高可達(dá)約19，

8、就模塊而言，最高亦可達(dá)約13。CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收范圍可從1.02ev至1.68ev，此項(xiàng)特征可加以利用于多層堆棧模塊，已近一步提升電池組織效能。此外由于高吸光效率（>105-1），所需光電材料厚度不需超過1m，99以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量產(chǎn)制造時(shí)，所需半導(dǎo)體原物料可能僅只US$0.03/W。CIGS光電池其結(jié)構(gòu)有別于非晶型硅光電池，主要再于光電層與導(dǎo)電玻璃間有一緩沖層（buffer layer），該層材質(zhì)通常為硫化鉻（CdS）。其載體亦可使用具可撓*材質(zhì)，因此制程可以roll-to-roll方式進(jìn)行。目前商業(yè)化制程是由shell solar所開發(fā)出來，制程中

9、包含一系列真空程序，造成硬件投資與制造成本均相當(dāng)高昂，粗估制程投資一平方米約需US$33。實(shí)驗(yàn)室常用的同步揮發(fā)式制程，放大不易，可能不具商業(yè)化可行*。另一家公司，ISET，已積極投入開發(fā)非真空技術(shù)，嘗試?yán)媚蚊准夹g(shù)，以類似油墨制程（ink process）制備層狀結(jié)果，據(jù)該公司報(bào)導(dǎo)，已獲初步成功，是否能發(fā)展成商業(yè)化制程，大家正拭目以待。另外，美國(guó)NREL亦成功開發(fā)一種三步驟制程（3-stage process），在實(shí)驗(yàn)室非常成功，獲得19.2光電效率的太陽能電池。不過由于該制程相當(dāng)復(fù)雜，花費(fèi)亦大，咸認(rèn)放大不易。綜合而言，CIGS在高光電效率低材料成本的好處下，面臨三個(gè)主要困難要克服：（1）制程

10、復(fù)雜，投資成本高；（2）關(guān)鍵原料的供應(yīng)；（3）緩沖層CdS潛在毒害。制程改善，如前述有許多單位投入，但類似半導(dǎo)體制程的需求，要改良以降低成本，困難度頗高。奈米技術(shù)應(yīng)用，引進(jìn)了不同思維，可能有機(jī)會(huì)，但應(yīng)用至大面積制造，其良率多少？可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。其次原材料使用到銦元素也是一項(xiàng)潛在隱憂，銦的天然蘊(yùn)藏量相當(dāng)有限，國(guó)外曾計(jì)算，如以效率10的電池計(jì)算，人類如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有數(shù)年光景可用。鎘（Cd）的毒*一直是人們所關(guān)注，硫化鎘（CdS）在電池中會(huì)不會(huì)不當(dāng)外露，危害人們，并不能讓所有人放心，因此在歐洲部份國(guó)家，舍棄投入此型光電池研究。# R! u; f+ 1 l7 S'

11、 Y( C7 M【鎘碲薄膜太陽能電池】Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe此類型薄膜光電池在薄膜式光電池中歷史最久，也是被密集探討的一種之一。再1982年時(shí)Kodak首先做出光電效率超過10的此類型光電池，目前實(shí)驗(yàn)室達(dá)成最高的光電效率是16.5，由美國(guó)NREL實(shí)驗(yàn)室完成，其作法是將已建立多年的電池構(gòu)造，在進(jìn)一步增量修改，并改變部分材質(zhì)。, 典型的CdTe光電池結(jié)構(gòu)的主體是由約2m層的P-type CdTe層與后僅0.1m的n-type CdS形成，光子吸收層主要發(fā)生于CdTe層，西光效率細(xì)數(shù)大于105-1，因此僅數(shù)微米厚及可吸收大于90的

12、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(gè)光電池架構(gòu)。目前已知為制備高光電效率CdTe光電池，不論電池結(jié)構(gòu)如何，均需要使用氯化鎘活化半導(dǎo)體層，方法上可采濕式或干式蒸氣法。干式法較為工業(yè)界所采用。關(guān)于CdTe光電池的薄膜，目前已有多種可行的工藝可采用，其中不乏具量產(chǎn)可行*的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學(xué)蒸鍍（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、網(wǎng)?。╯creen-printing）、電流沉積法（galvanic deposition）、化學(xué)噴射法（chemical spraying）、密集堆積升華法（clos

13、e-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(shí)也是目前工業(yè)界采用的主要方法。沉積操作時(shí)溫度較低，所耗用碲元素也最少。+ p5CdTe太陽能電池在具備上述許多有利于競(jìng)爭(zhēng)的因素下，在2002年其全球市占率僅0.42，2000年時(shí)全球交貨量也不及70MW，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過10，究其無法耀升為市場(chǎng)主流的原因，大至有下列幾點(diǎn)：、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的53，其中半導(dǎo)體材料只占約5

14、.5。二、碲天然運(yùn)藏量有限，其總量勢(shì)必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒*，使人們無法放心的接受此種光電池。【硅薄膜太陽能電池】Thin Film Silicon Solar Cells0 s最早開發(fā)此型光電池是在1970s，至1980s方有大的突破。其硅結(jié)晶層的厚度僅550毫米，可以次級(jí)硅材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由于電子與電洞傳導(dǎo)距離短，因此硅材料的純度要求，不若硅晶圓型太陽能電池高，材料成本可進(jìn)一步降低。由于硅材料不若其它發(fā)展中光電池半導(dǎo)體材料，具有高的吸光效率，且此型光電池硅層膜，不若硅晶圓型太陽能電池硅層厚度約達(dá)300

15、微米，為提高光吸收率，設(shè)計(jì)上需導(dǎo)入光線流滯的概念，此點(diǎn)是與其它薄膜型光電池不同之處。 此類型光電池之制備方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、許多型式的化學(xué)蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學(xué)蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學(xué)蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學(xué)蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無一引用至工業(yè)界，雖然如此，一般咸信常壓化學(xué)蒸鍍，應(yīng)具備發(fā)展為量產(chǎn)制程的可能*。上述蒸鍍法，操作溫度區(qū)間在3001200，主要依據(jù)基材材料而定。此型光電池光電效率實(shí)驗(yàn)室最高已達(dá)21，市場(chǎng)上只有Astropower一

16、家產(chǎn)品，當(dāng)基材使用石墨時(shí)，效率可達(dá)13.4，由于石墨材料價(jià)格昂貴，目前研究工作大底有三個(gè)方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高溫基材；三、將單晶硅層半成品轉(zhuǎn)植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功運(yùn)用此方法，成功制備1002，光電效率達(dá)16的組件。整體而言，此類型光電池系統(tǒng)的發(fā)展仍處于觀念可行*驗(yàn)證時(shí)期，實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)是否能發(fā)展成具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的量產(chǎn)程序，是人們關(guān)注的另一重點(diǎn)。【染料敏化太陽能電池】Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC此型光電池可是源自19世紀(jì)，人們照相技術(shù)的理念，但一直到超過100年后的1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel采用奈米結(jié)構(gòu)的電極材料，以及適切的染料，

17、組成光電效率超過7的光電池，此領(lǐng)域的技術(shù)研究開發(fā)，才引起大家積極而熱烈的投入。此項(xiàng)成功結(jié)合奈米結(jié)構(gòu)電極與染料而創(chuàng)造出高效率電子轉(zhuǎn)移接口的技術(shù)，跳脫傳統(tǒng)無材料固態(tài)接口設(shè)計(jì)，可說是第三代太陽能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授權(quán)，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。& 此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價(jià)電層電子受光激發(fā)，要升至高能階層，進(jìn)而傳導(dǎo)至奈米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I3+溶于有機(jī)

18、溶劑中形成。此型電池的結(jié)構(gòu)一般有兩種，實(shí)驗(yàn)室制備的通常為三明治結(jié)構(gòu)，上下均為玻璃，玻璃內(nèi)源則為TCO。中間有兩部份，包括含有染料的二氧化鈦，以及溶有電解質(zhì)的有機(jī)溶液。為利用已發(fā)展較成熟的其它薄膜光電池制備技術(shù)，Gratzel等，于1996年發(fā)展出三層式的monolithic cell structure，采用碳電極取代一層TCO電極，各層的制備可直接沉積在另一層TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具撓屈*透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可應(yīng)用于此類型電池制備。德國(guó)的ISE公司已發(fā)展出包含網(wǎng)印方式的生產(chǎn)流程（如下圖），制程非常簡(jiǎn)單。關(guān)于DSSC的制造成本，由于該型電池為新世代

19、產(chǎn)品，目前并無量產(chǎn)市場(chǎng)，因此有不同的評(píng)估值，依據(jù)Gratzel 1994年的估算，如以5光電效率為基礎(chǔ)，其制造成本約US$1.01.3/Wp（年產(chǎn)能510 NWp/year），Solaronix SA 1996年的鈷算則為US$2.2/Wp/year（年產(chǎn)能4MWp/year）；相較于技術(shù)開發(fā)較久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）兩類型，成本差距似乎不大。DSSC發(fā)展的最大利基，咸認(rèn)在于其簡(jiǎn)單的制程，不需昂貴設(shè)備與高潔凈度的廠房設(shè)施。其次所使用材料二氧化鈦、電解質(zhì)等亦非常便宜。至于鉑金屬觸媒以及染料，相信生產(chǎn)規(guī)模變

20、大時(shí)，價(jià)格亦會(huì)下降。其次就如同其它部分薄膜光電池，因?yàn)榭梢允褂镁邠锨?基材，因此應(yīng)用范圍可大幅擴(kuò)張，不似目前硅晶圓式，只適用于屋頂?shù)壬贁?shù)場(chǎng)合。未來DSSC如要成為具商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，甚至達(dá)到高市占率，仍有幾件事需要證明：一、光電池本身的長(zhǎng)期使用*。雖然實(shí)驗(yàn)室以較嚴(yán)苛條件測(cè)試，推估使用十年以上沒有問題，但畢竟還是缺乏對(duì)商業(yè)產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。二、對(duì)大面積的制備技術(shù)，有待努力發(fā)展。目前此方面工藝研究投入較少。三、對(duì)整體電池模塊細(xì)部的基礎(chǔ)研究，仍有許多工作要做，此方面研究可促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的確立。高能階差半導(dǎo)體，光穩(wěn)定*較高，因此如能以此類物質(zhì)取代二氧化鈦，學(xué)理上應(yīng)較易獲得耐久*DSSC產(chǎn)品，關(guān)于這方面研究，有部分研究單位也積極投入，惟至今仍未獲得良好成果。開發(fā)新式染料以取代目前公認(rèn)最佳的染料，有機(jī)釕金屬（簡(jiǎn)稱N3），亦是一項(xiàng)熱門研究主題。有機(jī)染料化學(xué)是發(fā)展很久的一學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因此許多人相信經(jīng)由適切的構(gòu)