因為CuInSe2的能隙值大約為1eV，低於理想太陽能譜值，以CuInSe2為主 的太陽能電池可靠加入Ga，形成Cu(InGa)Se2的主吸收層，增加吸收層的能 隙值，進而增進太陽能電池的效能。 CuInSe2太陽能電池能獲得較高的開路電壓Voc和較低的閉路電流ISC，允許 成長較薄的ZnO以減少光的損失，因較大的能隙值可使介面的品質較好，減 少自由載子在ZnO中的電流損失。 Ga加入CuInSe2中造成的影響有幾點
CdTe
0.16
0.814
23.56
73.25
14.0
U. of Toledo, sputtered
From :Rommel Noufi and Ken Zweibel National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO 80401, USA 「HIGH-EFFICIENCY CDTE AND CIGS THIN-FILM SOLAR CELLS: HIGHLIGHTS AND CHALLENGES*」
• 國內眾多廠商近一兩年內一窩蜂的進入對於投入技術門檻較低的矽基太陽能 電池Cell端，例如：昱晶（LED產業億光轉投資）、聯相（原為晶能半導體 廠聯電產業億光轉投資）、新日光能源（力晶轉投資）、茂矽太陽能事業部、 旺能（台達電），在些公司中除了投入較早的茂迪及益通充分掌握長期料源 的供應合約，且持續擴充產能掌握產業成長趨勢，而那些後進廠商對於料源 掌握的把握度低，在料源供應吃緊的狀況下（包括solar wafer 廠商），生 存及成長空間實在有限。 • 由於矽材料的成本以及整體經濟效益的考量下並非極佳，為了生產矽晶太陽 能電池，可能耗掉更多的能源與地球資源，如去除目前高油價、各國政府的 補助之誘因，是否矽晶太陽能電池能依然穩固成長，可能是一大問題，故目 前德國、瑞士、日本、美國皆有著名研究機構與公司正在積極發展薄膜太陽 能電池，薄膜太陽電池屬第二代太陽電池，具有可撓、易於大面積化、製程 簡單且低耗能、低成本等優勢，而轉化效率銅銦鎵二硒太陽光電池（CIGS： Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells）目前在研究單位已能達 到13~19.4%的效能。
台灣的發展利基
• 整合已具基礎的各研究單位作個帶頭作用，必能進一 步整合國內學術界、研究單位、工業界發揮團隊分工 最大效能，在全球可撓曲式薄膜太陽能產業佔一席之 地。如國內半導體及光電硬體設備製造商能利用工研 院及學術單位做可撓曲式CIGS太陽能電池製程技術前 期文獻、專利、產業訊息資料的分析，必能減少不必 要的錯誤嘗試階段，且能整合相關資源做充足的研發， 如此不管台灣在發展Roll to Roll鍍膜設備、撓曲式 基材或CIGS太陽能電池產品上，皆能達到設備、製程 技術、專利本土化及產業自主的能力，並配合我國在 半導體與光電產業的量產經驗，如此必能快速進入世 界水準。
reliability Cd free
2004
投入廠商 Honda、Showa、
厚度、成分、製程 光學特性 2008
不同世代效能進步目標
投入廠商
2nd generation 30% 理論極限
3rd generation 55~65% Multi junction
Aoanics、Miasok
太陽能產業各世代投入人才之差異性 1st 2nd 3rd EE、phys EE、phys EE、phys + + material material + chemical Engineer
太陽能電池轉化效能
From :NREL Thomas Surek Presentation
Thin Film CIGS Solar Cells Efficiencies
Area VOC (V) 0.697 JSC (mA/cm2) 35.1 FF (%) 79.52 Efficiency (%) 19.5 CIGSe/CdS/Cell Comments
台灣與歐美日發展太陽能差異性
Materials/Process /Facilities 整合發展 台灣 具規模廠商???
歐、美、日 siemens shell
元件 、機械、設備
元件 、機械、設備，非自製 購買 turnkey
自製
Know how Patent
生產 代工低價大量生產
費用評估
• • • • • 技轉費用 設備費用 廠房設立 人員薪資 研發材料費
(cm2)
CIGSe 0.410 NREL, 3-stage process
CIGSe
0.402
0.670
35.1
78.78
18.5
CIGSe/ZnS (O,OH)
NREL, Nakada et al.
CIGS
0.409 —
0.830
20.9
69.13
12.0
Cu(In,Ga)S2/CdS Cu(In,Al)Se2/CdS CTO/ZTO/CdS/CdTe
• Back Contact :Mo
– 鉬金屬與CuInSe2容易形成歐姆接觸,使得接觸電阻小,減少電流 形成後傳輸的耗損 – 鉬具有高的光反射率,使得太陽光能反覆的在CuInSe2主吸收層被 吸收 – CuInSe2成長在鉬薄膜能形成帄整的表面,相對於成長在玻璃上, 可降低表面粗糙度
• Absorber : CIGS – 有效的吸收大部分的太陽光 – p 型CuInSe2 的陽光吸收層（Absorption Layer）
10.2*
13.1 7.3 12.8* 12.8
67.5*
64.8 52.3 46.5* 44.15
02/04
05/03 06/04 03/03 05/03
CIGS Device Structure
CIGS特性
•Cu In Se2〈CIS〉係屬直接遷移性半導體，尤其吸 光係數極大，適用於薄膜電池材料。 Cu In Se2的禁止帶幅為1eV，小於最適用於太陽電 池的1.4-1.5V，因此與Eg=1.6eV的Cu Ga Se2較高 帶幅材料形成Cu(In Ga)Se2則所謂的CIGS混晶材料 以改善此一缺點。 •隨著光電池中銦鎵含量高低，光吸收範圍也會有所 不同（約在1.02eV～1.68eV之間）
Polycrystalline Thin Film PV Modules
Company Device Aperture Area (cm2)
8390 7376 6500
Efficiency (%)
10.2* 11.7* 13.0
Power (W)
Date
Global Solar Shell Solar Wü Solar rth
CIGS CIGSS CIGS
88.9* 86.1* 84.6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
05/05 10/05 06/04
First Solar
Shell Solar GmbH Antec Solar Shell Solar Showa Shell
CdTe
CIGSS CdTe CIGSS CIGS
6623
4938 6633 3626 3600
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池 技術與市場分析
發展太陽能電池最重要三關鍵因素
不同階段著重的因素各不相同 1.研究階段(研究單位或學術單位): 效能的提昇 2.初階段產品化:可靠性(目前CIGS Solar Cell保固在3~5年) 3. 量產進入商品化階段:成本(材料成本、製程成本 Roll to Roll and Flexible Coating) Stability Reliability
• Buffer Layer : n 型或本質型CdS
– 緩衝層主要目的在改善薄膜表面型態,降低CuInSe2與ZnO間造成的 Band-offset,其造成原因為能隙值差異太大,會影響少數載子的傳 輸,使轉化效率受影響
CuInSe2的能隙值為1.04eV， CuGaSe2的能隙值為1.68eV， Cu(InGa)Se2其能 隙值可此公式增加：Eg(x)=(1-x)E g(CIS)+xE g(CGS)-bx(1-x) ，x為Ga的含量、 1-x為In的含量，b值的大小在0.15~0.24eV 在同樣化學組成1:1:2的化合物中，Cu(InGa)Se2的電洞濃度較CuInSe2增加很 多，在CuInSe2與CuGaSe2中acceptor形成的能量相似，但CuGaSe2 donor形成的 能量卻遠大於CuInSe2 Cu(InGa)Se2在相圖中1:1:2化合物的穩定相範圍增加，chalcopyrite相變得 更穩定 隨著Ga量從零增加，開路電壓Voc增加，閉路電流ISC減少，開始時太陽能電池 的效率增加，然而當Ga/(In+Ga)的量超過0.3 ，開路電壓Voc並不隨能隙值等比 例增加，原件的效率開始下降，且1:1:2的相不再呈現N-type，推斷是因為 Ga/(In+Ga)大於0.3 ，薄膜產生應變，而產生缺陷
Dhere, FSEC
CIAS
0.621
36.0
75.50
16.9
IEC, Eg = 1.15 eV
CdTe
1.03 —
0.845
25.9
75.51
16.5
NREL, CSS
CdTe
0.840
24.4
65.00
13.3
SnO2/Ga2O3/CdS/CdTe ZnO/CdS/CdTe/Metal
IEC, VTD
國外主導機構
美 NREL 歐
日 NEDO
其他
國內主導機構 中科院 核能所與第五所 工研院太電中心
工研院技術發展方向與願景
由目前願內計劃提升到爭取國家型計畫:以printing & nano名義申請,實質進行PVD 方式長膜 建立base line → Pilot Line→Production Line生產線