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薄膜太陽能電池 班級:奈米四甲 學生:徐冠錚49614014 江政勇49614065 老師:蕭瑞陽 緣由 受到地球暖化衍生的環保問題，以及化石燃料（石油、煤 炭及天然氣等）資源有限的危機所影響，利用太陽能發電 成為近年來倍受各界矚目的焦點之一。 太陽能發電的技術，依製程區分主要分為結晶矽及薄膜太 陽能電池兩大類。因矽具有無毒性、氧化物穩定等優點， 加上產業界已有成熟穩定的工業處理技術來處理矽材料， 因此，矽晶太陽能電池為目前市場應用主流，占全球市場 約達九成。 2007年，太陽能電池模組的需求增溫，曾導致矽原料嚴重缺 貨，價格飛漲。再者，矽晶太陽能產業因設備及製程技術成 熟、進入門檻低，在眾多競爭者的產業中，以往的高毛利時 代已難以復見，促使太陽能廠商加速將研發觸角轉向薄膜太 陽能電池領域。 而薄膜太陽能電池因具有輕薄、低成本、可撓曲、多種外觀 設計等優點，成為繼矽晶太陽能電池之後，被認為是當前最 具發展潛力的太陽能技術。 原理 薄膜太陽能電池，是以pn半導體接面作為光吸收及能量轉 換的主體結構。在基板上分別塗上二種具不同導電性質的 p型半導體及n型半導體，當太陽光照射在pn接面，部份電 子因而擁有足夠的能量，離開原子而變成自由電子，失去 電子的原子因而產生電洞。透過p型半導體及n型半導體分 別吸引電洞與電子，把正電和負電分開，在pn接面兩端因 而產生電位差。在導電層接上電路，使電子得以通過，並 與在 pn 接面另一端的電洞再次結合，電路中便產生電流， 再經由導線傳輸至負載。 從光產生電的過程當中可知，薄膜太陽能電池的能量轉換 效率，與材料的能隙大小、光吸收係數及載子傳輸特性攸 關，因此廠商就提升轉換效率的研發方向，往往也從材料 選用、鍍膜方面著手。 薄膜太陽能電池發電原理 資料來源：資策會MIC，2009年1月 薄膜太陽能電池類別 以下為常見兩種： 矽薄膜太陽能電池 化合物半導體薄膜太陽能 電池 ㄧ:非晶矽太陽能電池 ㄧ:銅銦鎵硒太陽能電池 二:微晶矽太陽能電池 二:碲化鎘太陽能電池 三:低溫多晶矽太陽能電池 非晶矽太陽能電池 矽薄膜類中的非晶矽太陽電池，為各類薄膜太陽電池中發 展時間最長，也是目前薄膜太陽能電池中量產最多者。 優點:輕薄、省材料。 缺點:照光穩定度問題 （即指電池長期在強光照射下，轉 換效率會降低的光劣化現象） 改善:隨著二層或多層接合太陽能電池技術的發展，矽薄 膜電池透過不同能隙材料的堆疊，增加光吸收能力，可達 到轉換效率提升的目的。 微晶矽太陽能電池 屬於非晶矽的改良材料，主要是在非晶體結構中具有微小 的晶體粒子，其結構介於非晶矽和晶體矽之間。 優點:薄膜化、光譜吸收範圍廣外，更具有不易出現光劣 化效應 因此常被用來與非晶矽薄膜堆疊，以提高轉換效率。 低溫多晶矽太陽能電池 低溫多晶矽技術主要特點在於改變玻璃基板分子構造，以 提昇傳統非晶矽技術性能。 銅銦鎵硒太陽能電池 材料由原先銅銦硒(CIS)三元素組成，後來為提升 轉換效率，演變至銅銦鎵硒四元素。CIGS為直接 能隙材料，比非晶矽具有更高的吸光係數。 優點： 高轉換效率，低材料成本。 碲化鎘太陽能電池 優點：CdTe為直接能隙材料，故光吸收層僅需數 個微米的厚度，即可達到良好的吸收效果。 缺點：鎘、碲等毒性物質，使其尚無法普及到家 計用戶，而以發電廠為主。 矽薄膜與化合物半導體薄膜太陽能電池之差異比較 矽薄膜 Amorphous 化合物半導體 CIGS CdTe 主要材料 矽 銅、銦、鎵、硒化合 物 碲、鎘化合物 光吸收層厚度 0.2~0.5μm <1μm 1μm 光吸收能力 1. 非直接能隙材料， 可吸收的光譜有限 2. 吸光頻率範圍為 1.1~1.7eV 1. 直接能隙材料， 吸光範圍廣 2. 吸光頻率範圍為 1.02~1.68eV 1. 直接能隙材料，吸光 範圍廣 2. 吸光頻率範圍為 1.45eV 發電穩定性 1 穩定較差，有光衰竭 現象 2.Tandem技術可改善光 衰竭現象 穩定性高，且無光衰 竭現象 穩定性高，且無光衰竭 現象 商用轉換效率 材料特性 5~8% 10~12% 8.5~10.5% 1. 碲為少有金屬，難以 1. 硒/銦為少數金屬， 應付全面性大量的 難以應付全面性 矽甲烷為主要原料，因 市場需求 大量的市場需求 用量少而供應無虞 2. 鎘、碲為有毒金屬， 2. 緩衝層硫化鉻具 受限環保法規及消 潛在毒害 費心理障礙 材料控制性 產業界用矽技術成熟 四元素難以精準控制 二元素較CIGS易控制 材料成本 高品質TCO玻璃價格高 靶材成本會比基板高 材料成本約佔五成 常用的成膜技 術 1. 化學氣相沉積法 (CVD) 2. 濺鍍法 (sputtering) 濺鍍法(sputtering) 1. 蒸鍍法(Evaporating) 2. 適用多種快速成膜技 術 薄膜太陽能電池產品結構 主要靠p型半導體及n型半導體的運作產生電流， 然而因單獨的p型及n型半導體薄膜，其導電度不 佳且容易氧化，所以需在外層再鍍上一層能夠與 半導體薄膜形成沒有整流效應的低電阻金屬/半導 體接觸（Ohmic Contact）。同時考量到透光功能， 因此照光面選擇透光性高及導電性佳的透明導電 層來代替金屬層，表面並增加絲絨化處理，以增 加光捕捉程度。 薄膜太陽能電池組成結構 薄膜電池組成結構: Superstrate:先從玻璃基板下方鍍上透明導電層開始，再 依序鍍上p-i-n，最後再鍍上金屬導電層。 Substrate:則先從玻璃基板上方鍍上金屬導電層，再依序 鍍上n-i-p，最後才鍍上透明導電層。 矽薄膜太陽能電池多層接合結構之 範例 非晶矽具有光劣化的缺點，故新一代的矽薄膜太 陽能電池技術，透過利用多層接合技術，堆疊其 他具有較高光吸收係數的光吸收層，以減少光能 耗損並提高電池轉換效率。 CIGS及CdTe薄膜太陽能電池組成結構 資料來源：資策會MIC，2009年1月 薄膜太陽能電池之優缺點分析 項目 優點 缺點 1. 非具有雄厚資金能力者無法進入，市 場競爭者較少 2. 產業垂直整合性高，仍有較高毛利 1. 投資成本昂貴，是矽晶電池模組的 5~10倍 2. 矽晶電池模組價格回穩，減少市場 對薄膜電池的使用誘因 材料供應 矽用料少或是不用矽原料，不受非晶矽 價格影響 硒、銦、碲等為稀有金屬，無法支應全 面性量產所需 製程管理 製程數少，製程管理相對容易 設備及技術尚未形成標準，安裝到試車 所需時間長，過程中調校程序複雜 投資效益 轉換效率 轉換效率提升空間大，新技術研發活 動頻繁 轉換效率較低，所需裝置面積大 產品應用 可用透明、可撓曲的基板及客製化大 面積生產，應用範圍廣 大面積產品之良率及穩定性控制不易 回收處理 -- 市場對碲/鎘有毒物質回收處理的可 能要求 結論 因人類過度使用化石能源而排放的二氧化 碳卻造成溫室效應，成為地球溫度持續升 高的元兇。加上，近年來原油價格持續上 漲，屢創新高，尋找替代能源已成為目前 的當務之急。