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薄膜太陽能電池
Thin Film Solar Cells
太陽能電池市場現況
太陽能電池效率演進
C-Si Technology in Historic
Perspective
全球PV 前十大廠商
台灣太陽光電產業鏈分佈概況
太陽光電產值預期達成規模
薄膜太陽能電池的種類
非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si)
微晶矽(Microcrystalline Silicon， μ c-Si)
CIS/CIGS(銅銦硒化物)
III-IV族:GaAs(砷化鎵);II-VI族 CdTe(碲化鎘)
色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)
有機導電高分子(Organic/polymer solar cells)
有機導電高分子(Organic/polymer solar cells)
有機導電高分子太陽能電池是直接利用有機高分子半導體
薄膜(通常厚度約為100nm)作為感光和發電材料。此種技術
共有兩大優點，一在於薄膜製程容易(可用噴墨、浸泡塗佈
等方式)，而且可利用化學合成技術改變分子結構，以提昇
效率，另一優點是採用軟性塑膠作為基板材料，因此質輕，
且具有高度的可撓性。目前市面上已經有多家公司推出產
品，應用在可攜式電子產品如NB、PDA的戶外充電上面，
市場領導者則是美國Konarka公司。不過，由於轉換效率過
低(約4~5%)的最大缺點，因此此種太陽能電池的未來發展
市場應該是結合電子產品的整合性應用。
非晶矽薄膜太陽電池構造
結構通常為 p-i-n 或 n-i-p 。
p層跟n層主要為建立內部電 場，i層則由非晶矽構成。
微晶矽(μ c-Si)
微晶矽其實是非晶矽的改良材料，其結構介於非晶矽和晶
體矽之間，主要是在非晶體結構中具有微小的晶體粒子，
因此同時具有非晶矽容易薄膜化，製程便宜的特性，以及
晶體矽吸收光譜廣，且不易出現光劣化效應的優點，轉換
效率也較高。
目前已有將a-Si和μ c-Si疊層後製成的薄膜太陽能電池商品
(由日本Sanyo研發成功)，可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光
的同時可發電，因此業界廣泛看好將是未來非晶矽材料薄
膜太陽電池的的發展主流。
Thin-film solar cells
Need of raw material
非晶矽薄膜太陽電池製造流程
非晶矽薄膜太陽電池製造流程
非晶矽薄膜太陽電池製造流程
非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si)
優點:
對於可見光譜的吸光能力很強。
利用Sputtering 或CVD生成薄膜成本低廉。
材料成本相對於其他化合物半導體材料也便宜許多。
資料來源：BP 2002、World Nuclear Association
非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si)
缺點:
 轉換效率低(約5~7%) 。
 會產生嚴重的光劣化現象的問題，因此無法打入太陽能發
電市場，而多應用於小功率的消費性電子產品市場。
 新一代的非晶矽多接面太陽能電池(MultijuctionCell)已經
能夠大幅改善純非晶矽太陽電池的缺點，轉換效率可提升
到6~8%，使用壽命也獲得提昇。未來在具有成本低廉的
優勢之下，仍將是未來薄膜太陽能電池的主流之一。
18
可撓式非晶矽薄膜太陽電池
a-Si:H Thin-film Solar Cell (UniSolar )
CIGS薄膜電池
此類型有兩種：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）。由於其高光電效率及低材料成本，
被許多人看好。在實驗室完成的CIGS光電池，光電效率最高可
達約19.88，就模組而言，最高亦可達約13﹪(CIS 約10%)。
CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收範圍可從1.02ev至1.68ev，
此項特徵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（α>10E4~10E5㎝-1），所需光電材
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薄膜電池
Chalcopyrite 半導體的性質
CIGS太陽能電池元件結構演進
CIGS太陽能電池元件製作流程
CIGS 薄膜太陽電池製造方法
CIGS太陽能電池-真空製程
真空塗佈製程- Co-evaporation
真空塗佈製程- Sputtering
CIGS太陽能電池-非真空製程
非真空塗佈製程- electrodeposition
非真空塗佈製程-Metal Oxide Ink
CIS薄膜太陽電池
245-kW rooftop, thin-film
CIS-based solar electric array, 85-kW thin-film CIS-based BIPV
facade, North Wales, UK
Camarillo, California (Shell
Solar Industries. )
CIGS優勢
薄膜太陽電池中，CIGS是目前具有最高效率的電池之一。
現階段CIGS電池主要量產技術仍以真空製程技術為主，但
難以克服大面積及降低成本的問題。
 CIGS非真空製程技術雖具有降低成本以及提高材料使用率
的優點，但各方式都具有難以克服的關鍵問題皆仍待解決。如
CIGS晶粒成長…等。
CIGS瓶頸
 CIGS薄膜太陽能電池雖具有高效率、低成本、大面積
與可撓性等潛力優勢，但還有許多需要克服的問題接
踵而來。
 製程複雜、技術選擇百家爭鳴，且供應鏈相當分歧，
各站並無制式化設備放大製程之均質性不佳，良率變
化大。
 系統化的研究與實驗數據十分缺乏許多關鍵點都無定
論，如：組成成分、結構、晶界、各層間之介面…等。
 關鍵原料的缺乏 (銦元素也是一項潛在隱憂)，銦的天
然蘊藏量相當有限，國外曾計算，如以效率10﹪的電
池計算，人類如全面使用CIGS光電池發電供應能源，
可能只有數年光景。
CdTe(碲化鎘)
CdTe同樣屬於化合物半導體，電池轉換效率也不差：若使用耐
高溫(~600度C)的硼玻璃作為基板轉換效率可達16%，而使用不
耐高溫但是成本較低的鈉玻璃做基板也可達到12%的轉換效率，
轉換效率遠優於非晶矽材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄
膜製程上遠較CIS或CIGS容易控制，再加上可應用多種快速成
膜技術(如蒸鍍法)，模組化生產容易，因此容易應用於大面積
建材，目前已經有商業化產品在市場行銷，轉換效率約11%。
不過，雖然CdTe技術有以上優點，但是因為鎘已經是各國管制
的高污染性重金屬，因此此種材料技術未來發展前景仍有陰影
存在。
CdTe thin film solar cell
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
CdTe薄膜太陽電池
SAGFirst Solar ----CdTe Rooftop
Katzenbach Juwi
Memmingen SAG
染料敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)
染料敏化感染料電池是太陽能電池中相當新穎的技術，由
透明導電基板、二氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏
化劑)、電解質和ITO電極所組成。
優點:
二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜，又可以利用印刷
的方法大量製造，基板材料也可更多元化。
缺點:
 轉換效率仍然相當低(平均約在7~8%，實驗室產品可達
10%)，且在UV照射和高熱下會出現嚴重的光劣化現象，
封裝過程較為困難(主要是因為其中的電解質的影響)，因
此目前仍然是以實驗室產品為主。然而，基於其低廉成本
以及廣泛應用層面的吸引力，多家實驗機構仍然在積極進
行技術的突破。
DSSC
Advantage of DSSC
• Ease of fabrication for large area
from solution
• Transparent
• Conformal and flexible
• Low cost of manufacturing
Dye-Sensitized Solar Cell
Principle of the DSSC
Basic mechanisms in a DSSC
-
I/I3 redox
electrolyte
a
h
E
c
b
collection at conducting
substrate
f
3I-I3 - + 2ed
2e- + I33I-
e
Counter
electrode
dye
TiO2
h : photon absorption
a : electron injection
b : recombination
c : e- transport and
TCO
d : I- oxidation
e : I3- reduction
f : ion transport
DSSC效率演進
Principle of Dye-Sensitized Solar cells
Gratzel, Nature, 2001
Dye-Sensitized Solar Cell
Low photocurrent could be the result of
1. Inefficient light harvesting by the dye
2. Inefficient charge injection into TiO2
3. Inefficient collection of injection electron
Special Features of a DSSC
• Semiconductor not excited directly
• Photo carrier generation &
transportation are well separated –the
probability of recombination can be
drastically reduced.
• Positive charge transport via ion
transport in the electrolyte, rather than
hole condition
• No electric field, electron transfer has
been described as diffusion
TiO2 / dye / electrolyte(I-/I3-)
– Jn= n n E
0 cb + q Dnn
• Nanoparticle structure
glass
Counter
electrode
e-
TCO
Performance of Photovoltaic and DSSC
Efficiency
%(module)
Research and technology needs
24
10-15
Higher production yields, lowering
of cost and energy content
Multi-crystalline
silicon
18
9-12
Lower manufacturing cost and
complexity
Amorphous silicon
13
7
Lower production costs, increase
production volume and stability
7
Improve efficiency and hightemperature stability, scale up
production
Type of cell
Crystalline silicon
Dye-sensitized nanostructured materials
Efficiency
%(cell)
10-11
TCO Electrode
• Role of the TCO electrode in a DSSC
– Electrons transportation and collection
• Characteristics
–
–
–
–
–
High transmittance in visible region ()
High electrical conductivity ()
Thermal endurance ()
Corrosion resistance
Energy level not higher than nanoparticle
oxide
() present the issue still for improving
I
T
R
e-
Materials and Processes of TCO Electrodes
• Materials:
– ITO, ZnS, ZnO, SnO2
(energy gap higher than
photo energy in visible
region)
• Processes:
– Sputtering deposition
– Plasma ion assisted
deposition
Ref (3)
Passage of Light Through a Material
Incident = Reflection + Transmittance + Absorption
related to refractive index,
thickness, particle size
Interference effect
Depend on Eg
Particle size effect
n0
n1
d
Substrate
ns
Nano-material transmit light
Micro-material scatter light
Dye
Role of dye in a DSSC
Photoexciting & injecting electrons into the
conduction band of the oxide
Characteristics
Ru2+ Ru2+* Ru3++e-
Absorb all light below 900nm (*)
Molecular dispersion in nanostructure oxide (*)
Carry attachment group(eg. carboxylate or
phosphonate) to firmly graft to the oxide surface
The Energy level of excited state higher than
conduction band of oxide
The redox potential sufficient high to be
regenerated via electron from the electrolyte
Sustain high cycle usage
h
eTiO2
Common Materials of the Dye
• General structure: ML2X2
( L: 2.2-ipyridyl-4,4’-dicarboxylic; M: Ru or Os; X: halide,-CN,-SCN )
N3
Absorption Spectrum of N3 and dark gray
N3
2.0
1.5
A
1.0
Dark gray
0.5
0
Dark gray
400
500
600
700
800
900
AM1.5 solar spectrum
nm
Oxide Film
--one of the major components in a DSSC
• Role of the oxide in a DSSC
– Receive electrons from the dye
– Efficient transport electrons in
the media
TiO2 nanoparticles
• Characteristics
– Ultra fine structure(nm-crystal,
mesoporous) interconnected (*)
– Good electrical conduction properties (*)
– Conduction band edge is more negative
than HUMO of the dye
ultra fine structure enable…
0.15
100
0
0
300
800nm
Single crystal anatase
300
800nm
Nanocrystal anatase
Common Materials and Processes of
the Oxide film
• Material:
– TiO2(cheap, non-toxic), ZnO, Fe2O3, Nb2O5, WO3, Ta2O5, CdS, CdSe
• Common processes:
Hydrolysis
Ti sault
-solvent
+binder
Control:
hydrolysis and
condensation
kinetics
TiO2 particles
(Finely divided
monodispersed colloidal)
Process parameters:
Precursor chemistry
Hydrothermal growth Temp
Binder addition
Sintering condition
Coating,
sintering
TiO2 film
(1-20m)
Factors influence properties:
Material content
Chemical composition
Structure
Surface morphology
Grain size, porosity
pore size distribution
Crystalline form (anatase,rutile..)
Electron Transport in the DSSC
-- An important factor affecting IPCE
• De in the porous film << De in the bulk crystal
• Multi-trapping model: electron transport is mediated by
the conduction band and is interrupted by trapping.
– The traps could be formed by oxygen defects, amorphous layer
on the particle surface, chemical surrounding, and lattice
mismatch at boundaries.
• Injection electrons are slow down by trapping at the
surface of the particle and may back reaction through
combination with I3- iron.
The Electrolyte
--one of the major components in a DSSC
• Role of electrolyte in a DSSC
– Restore the original state of the dye
by electron donation from the
electrolyte
• Characteristics
– Oxidation  Reduction
• Highly reusable
– Redox potential lower than dye
oxide
ee-
dye
eelectrolyte
II3 I3 -
I-
Conclusion
• For improving conversion efficiency
–
–
–
–
–
Increase the transmittance of TCO
Increase the light harvesting of dye(LHE)
Improve the electron injecting into oxide (in )
Improve the collection of injection elections in TCO (c)
Reduce the recombination of e- h
IPCE = LHE in c
LHE: light harvesting efficiency ; in: charge injection efficiency; c: charge collection
efficiency
• Durability & process concern
– Thermal stability of components
– Corrosion resistance
Ref (27)