软性非真空无镉CIGS元件 推展太阳光电的崭新能量

 

　　既环保又低成本的软性非真空无镉CIGS元件技术获得本年度工研院杰出研究奖银牌奖。

　　近来受到欧美景气低迷，加上中国对其太阳光电产业的扶植效应，造成许多国际太阳能厂商相继破产关厂，或是关闭部份生产线，引起产业不小的震撼。不久前，在工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)所举办的「太阳光电产业拨云见日之道」研讨会中，产业分析师杨翔如也指出，全球太阳光电市场正面临欧美债信危机、政府补助紧缩和小型系统当道等三大课题，亦透露出现今太阳光电产业的转型挑战。

　　透过太阳光转换为电能，提供各式电器产品的电力来源，不只是再生能源应用中的要角，也是解决能源议题的一块重要拼图。但过去为了推广太阳光电，各国多是采取补助及收购的措施，以扩大太阳光电的规模，显见太阳光电设备的成本及价格仍旧过高;因此面对政府支持趋缓、企业自顾不暇的现象，太阳光电产业必须克服「成本」问题就更加刻不容缓。

　　「市电同价」是普及关键

　　根据美国国家再生能源研究所(National Renewable Energy Laboratory，NREL)研究指出，目前每生产一瓦(W)电力的平均成本约为0.5美元，但以晶矽(Silicon)或非晶矽(a-Si)太阳能电池生产电力，却高达1美元左右，碲化镉(Cadmium Telluride，CdTe)太阳电池也要0.64美元;最接近的则是铜铟镓硒(Copper Indium Gallium diSelenide，CIGS)太阳电池，约仅0.54美元。

　　以目前的产业及社会趋势，工研院绿能与环境研究所专案经理吴宗鑫表示，「市电同价」(Grid Parity)是太阳光电能否普及的关键，也就是必须要能以当前相同的花费来换取电力，才能让民众更容易接受并使用太阳光电;显见CIGS太阳能电池是最有可能达到市电同价的太阳能电池，甚至经过转换效率提升及成本下降后，还有机会可以达到每瓦电力成本低于0.4美元。

　　针对CIGS太阳电池的技术开发，工研院团队同样是从「成本」的概念着手;如果能透过技术的提升，使整体生产成本降低，不只有利于推广太阳光电，同时厂商也会更愿意投入。此外，在转换效率上，CIGS太阳电池在实验数据中已可达20%，高于以矽晶圆或碲化镉为材料的太阳能电池，因此更能在成本与转换效率的加乘下创造更高的效益。

　　进一步解释，除了实际的生产制造成本外，环境成本也是团队所考量的重点，因为要真正做到「绿色」能源，并非只是不使用石油或核能等原料，而是要能实现对环境友善，因此才逐渐发展出「软性非真空无镉CIGS元件」技术;其中即分别针对吸收层、缓冲层、模块等部份，开发「非真空」、「无镉」与「软性」等CIGS太阳电池技术。

　　非真空制程纾解成本负担

　　CIGS铜铟镓硒太阳电池自问世至今，已有约三十年的时间;最早是由美国NASA所研发，并用于外太空的环境中。相较于一般所见的矽晶圆太阳能板，CIGS太阳电池对于环境的耐受度更高，包括高低温度的变化以及幅射线等，基本上都不会对电池本身造成破坏，使用寿命也可达到近二十年左右;因此目前送上太空的卫星，几乎都是采用CIGS太阳电池。

　　时至今日，在强调转换效率、应用层面等目的之下，许多国内外厂商都投入CIGS太阳电池的研发，但所着重的制程技术却各有轻重巧妙。以相当于CIGS太阳电池元件心脏的吸收层，其制程向来是以真空技术为主，如目前德国Wurth Solar和Solarrian使用的共蒸镀技术，以及日本Solar Frontier的溅镀硒化技术等，都是属于真空技术;尤其对于半导体厂商来说，对于溅镀技术原本就不陌生，可快速转换投入生产。

　　但真空技术所需要的生产设备与环境，要求上也较为严苛，成本自然就会提高不少;若改采非真空制程技术，不仅能大幅降低成本，并且结合印刷方式生产，更能达到大面积、连续性的量产。以美国ISET与Nanosolar等公司，就是采用非真空吸收层制程技术。

　　工研院团队也希望能藉由非真空技术的开发，达到减低成本的目的。不过表示，从真空制程转为非真空制程，并不如想象中容易;虽然产业对于真空制程技术的了解已很透彻，但以材料的相变化为例，在非真空制程中就会产生不一样的情况，如果只是直接套用真空制程下的配方及模式，反而会使得电池的转换效率降低。

　　经过多次瓶颈后，研发团队决定将原有的真空技术舍弃，重新针对材料特性与非真空环境研发吸收层的技术，以达到更完美的晶体型态。同时在涂布技术上，各家厂商采用的印刷方法也各有不同，例如刮刀、喷洒、旋转涂布等;吴宗鑫指出，CIGS薄膜太阳能电池对涂布的均匀性要求相当高，影响著转换效率的表现，但在实验室中通常只能使用刮刀式的印刷，产品面积也较小，若能结合产业较佳的印刷生产设备，亦可提高涂布时的均匀质量。

　　以目前的研发成果，在非真空的吸收层制程下，CIGS太阳电池的转换效率已可达到11.5%。表示，估计当转换效率提升至13%时，就能实现市电同价的目标，但「就算达不到13%的转换效率，透过整体生产成本的降低，仍然可以做到市电同价」;可是如果采用的是真空制程技术，在相同的转换效率下，就会因成本过高而无法达到市电同价。

　　无镉缓冲层减低污染问题

　　

 

　　非真空的吸收层制程下，CIGS太阳电池的转换效率已可达到11.5%。

　　(图为相关技术的浆料制程设备)

　　CIGS太阳电池的另一项特性，在于使用了价格较高的铟、镓、硒等稀土元素，尤其铟和镓的存量原本就较少，并有七成的蕴藏量及超过九成五的出产量皆来自中国，加上近年中国对于稀土出口的限制紧缩，促使价格上涨;象是过去三年以来，镓的价格就翻涨了一倍。

　　不过也分析，就CIGS太阳电池的体积，其中使用到稀土元素的CIGS层，厚度仅仅只有2 µm(Micrometer，微米)，与一般东方人头发直径10 µm相较，也就是只有五分之一的头发厚度;换句话说，稀土原料的成本虽不容易下降，但在CIGS太阳电池中的用量却不多，占总生产成本的比例不到10%，反而是材料使用率相对来说更为重要。

　　另一项值得关切的原料，研发团队则是希望能够替换太阳电池缓冲层中所使用的硫化镉(CdS)。过去在***及日本等地，都发生过镉污染事件，对环境、经济、健康都造成伤害;镉化物在太阳电池正常运作时虽不至于产生问题，但在德国也曾发生过因农场火灾，使得太阳能系统损毁并导致污染的疑虑。

　　传统CIGS太阳能电池上层的N-type半导体中，为避免氧化锌(ZnO)破坏CIGS层的表面，会镀上硫化镉做为缓冲层来保护CIGS层，并且和CIGS层之间的搭配也较好，因此目前还是有不少厂商仍采用硫化镉为缓冲层的材料;尤其在更换硫化镉的同时，通常转换效率也会跟著低落。

　　基于对环境成本的考量，以硫化铟取代硫化镉，并能维持转换效率，是研发团队努力的方向。吴宗鑫解释，在真空制程与非真空制程之下，吸收层的表面性质将截然不同;于是研发团队同样从配方源头开始不断修正，并针对不同制程的特性开发无镉缓冲层技术，让厂商不论采用的是真空或非真空制程，都有无镉的缓冲层技术得以搭配。

　　以结合吸收层的非真空制程与缓冲层的无镉技术，除了可以解决镉危害、降低环境成本，同时在改用硫化铟后，一方面原物料成本比硫化镉还低，厚度也只有30 nm(Nanometer，纳米，千分之一微米)，用量十分少，而且可减少因处理含镉废弃物所需的昂贵费用;甚至因为使用硫化铟而产生的含铟废弃物，还可经贩售回收后再度利用，对生产成本与环境成本皆有益处。

　　软性模块扩大应用领域

　　

 

　　工研院研发的无镉缓冲层技术，让厂商不论采用真空或非真空制程，都有无镉的缓冲层技术得以搭配。(图为硒化制程设备)

　　很多人都看过架设在建筑顶部的太阳能板，在欧洲及中国等地，还有不少「Solar Farm」(太阳能电场)的建设，以大量获取太阳光能转换的电力;然而，这些太阳光电系统的建置，基本上都是在固定的基座上，所使用的太阳能电池，也多是传统以玻璃为基板的结构，不论是在重量或体积上都有一定的份量，也更加突显出「软性」薄膜太阳能电池的优势。

　　以欧洲为例，所见到的太阳能板规格，皆为60公分乘以120公分，就是经过计算符合一位欧洲成年男子所能够举起的最大面积，以及因应以人工扛上屋顶的架设方式;这对于太阳光电的应用推广，就不免产生了限制。甚至在国内，一般屋顶上的太阳能板因考虑照射角度及通风散热而架高斜设，但亦有高度限制，否则也会被视为违建。

　　甚至在材料成本方面，硬式的玻璃基板比起目前的软性基板还要高;显见改为软性薄膜型式的太阳能电池，不只能提高应用范围，并可改善厂商的利润。以工研院选用的软性不锈钢基板，除了本身就具导电性质外，还可免除铝箔的表面氧化问题，以及因应硒化制程中，需避免铝箔基板接触硒蒸气所产生的严重反应，因而必须提高机台设计的复杂性。

　　此外，以不锈钢为基板材质，价格也比另一种主流材料铜(箔)来得便宜。同时研发团队也正尝试运用有机高分子材料PI(Polyimide，聚亚醯胺)做为CIGS太阳电池的基板，这种早期在真空环境中用做黏著的胶材，特质在于耐热性佳、应用性广，不会有金属高温扩散问题，且相同面积下成本仅约玻璃的十分之一，国内厂商即有优质的生产技术，可将PI的耐热程度提高到400度C以上。

　　尤其考虑到环境成本的问题时，制造简单、原料便宜的PI，还可以回收重新利用。只是在真空制程中，因温度超过500度C，并不适合使用PI;目前也只有一种PI产品的耐热温度达到480度C，符合其它制程的需要。因此，如何进一步降低制程中的热处理温度，让CIGS太阳电池能够广泛使用PI来制作基板并降低成本，就是研发团队正在努力的方向之一。

　　技术整合发展更具弹性

　　结合了非真空、无镉、软性等技术的「软性非真空无镉CIGS元件」，其应用层面便可较以往扩增。除了仍可以玻璃为基板，取代传统硬板的太阳电池外，更因为具备了软性的特色，而在使用场所上减少受限;象是可配合建筑外墙的变化平贴设置，不但不影响建筑的设计样式，装置面积亦可大幅提升，提高发电量。

　　「都市里的居民考虑到大楼遮蔽而发电量减少的问题，所以对装设太阳能板兴趣缺缺，主因还是在于成本太高;如果成本能够便宜到即使短时间被遮挡阳光也不会介意，就会有更多的应用机会。」吴宗鑫也以太阳能电动车为例，经过轻量化、软性、可连续生产的CIGS太阳电池，可以迎合不同的车型设计，不需要各别制作模具来生产特定尺寸的太阳能板，也是最好的解决方法。

　　携带方便、容易与电子用品搭配的「软性非真空无镉CIGS元件」，其实更是个良好的「辅助」补充能源，只要透过微小的部件空间，例如手机的边框就可以装设充电，藉此延长电池的续航力，进而降低原有电池与产品的体积。因此若与国内的3C产业结合，也会有相当大的市场优势，成为***才有的独特产品;甚至是帐棚、登山衣等户外应用，都是可以开发的层面。

　　需要合适设备相辅相成

　　在团队合作之下，软性非真空无镉CIGS元件，更可发为良好的「辅助」补充能源。

　　不像其它厂商或研发机构，只在CIGS太阳电池的吸收层、缓冲层与模块等三大部份中，专注投入于一至两项技术;「软性非真空无镉CIGS元件」是领先世界将这三项创新技术整合开发，达到「三位一体」的效果，因此不会产生各技术之间互不协调或不适用的状况;而且在研发同时，也了解到生产设备需要哪里些特性与规格，并布局专利，更接近实际量产阶段。

　　吴宗鑫表示，目前生产CIGS太阳电池的厂商，多是由本身的技术出发，并设计或改良设备来配合，有时也会利用标准化的设备，但这在面对不同技术间的差异时，如拼装车式的设备并无法完全一体适用;也就是说，针对自有的完整技术与原理来设计制造适合的设备，才能达到最好的效果。

　　每当谈到太阳能时，多数人都关注在电池部份，但事实上，生产设备的辅助更不能少。吴宗鑫认为，没有适合的制造设备，是CIGS太阳电池需要突破的地方，但也是国内厂商的一大切入时机，更有机会成为主流、抢占市场;尤其这些设备的重点并不在于精准度的要求，而是需要标准化及前后设备之间的串接整合。若有技术与设备的密切搭配，以及更多厂商的加入，将可创造乐观的产业与市场前景，以低廉成本创造高普及率，提升***太阳光电产业的优势。