1、第八章 薄膜太陽(yáng)能電池,授課教師：黃俊傑,薄膜太陽(yáng)能電池的種類,非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si) 微晶矽(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si) CIS/CIGS(銅銦硒化物) CdTe(碲化鎘) GaAs Multijuction(多接面砷化鎵) 色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell) 有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells),太陽(yáng)能電池市場(chǎng)現(xiàn)況,太陽(yáng)能電池效演進(jìn),非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si),資

2、料來(lái)源：BP 2002、World Nuclear Association,是發(fā)展最完整的薄膜式太陽(yáng)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層則由非晶系矽構(gòu)成。非晶矽的優(yōu)點(diǎn)在於對(duì)於可見(jiàn)光譜的吸光能力很強(qiáng)，而且利用濺鍍或是化學(xué)氣相沉積方式生成薄膜的生產(chǎn)方式成熟且成本低廉，材料成本相對(duì)於其他化合物半導(dǎo)體材料也便宜許多；不過(guò)缺點(diǎn)則有轉(zhuǎn)換效率低(約57%)，以及會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的光劣化現(xiàn)象的問(wèn)題，因此無(wú)法打入太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)，而多應(yīng)用於小功率的消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)。不過(guò)在新一代的非晶矽多接面太陽(yáng)能電池(MultijuctionCell)已經(jīng)能夠大幅改善純非晶矽太

3、陽(yáng)電池的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率可提升到68%，使用壽命也獲得提昇。未在具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)之下，仍將是未薄膜太陽(yáng)能電池的主流之一。,微晶矽(nc-Si，uc-Si),微晶矽其實(shí)是非晶矽的改良材料，其結(jié)構(gòu)介於非晶矽和晶體矽之間，主要是在非晶體結(jié)構(gòu)中具有微小的晶體粒子，因此同時(shí)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(xiàn)光劣化效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率也較高。目前已有將a-Si和nc-Si疊層後製成的薄膜太陽(yáng)能電池商品(由日本Sanyo研發(fā)成功)，可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光的同時(shí)仍可發(fā)電，因此業(yè)界廣泛看好將是未非晶矽材料薄膜太陽(yáng)電池的的發(fā)展主流。,CIS/CIGS(銅銦硒化物),CIS

4、(CopperIndiumDiselenide)或是CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都屬於化合物半導(dǎo)體。這兩種材料的吸光(光譜)範(fàn)圍很廣，而且穩(wěn)定性也相當(dāng)好。轉(zhuǎn)換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可達(dá)30%，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測(cè)試下最高也已經(jīng)可達(dá)到19.5%，足以媲美單晶矽太陽(yáng)電池的最佳轉(zhuǎn)換效率。在大面積製程上，採(cǎi)用軟性塑膠基板的最佳轉(zhuǎn)換效率也已經(jīng)達(dá)到14.1%。由於穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率都已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)異，因此被視為是未最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ?yáng)能電池種類之一。,CdTe(碲化鎘),CdTe同樣屬於化合物半導(dǎo)體，電池轉(zhuǎn)換效率也不差：若使用耐高溫(600C)的硼玻

5、璃作為基板轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16%，而使用不耐高溫但是成本較低的鈉玻璃做基板也可達(dá)到12%的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)優(yōu)於非晶矽材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄膜製程上遠(yuǎn)較CIS或CIGS容易控制，再加上可應(yīng)用多種快速成膜技術(shù)(如蒸鍍法)，模組化生產(chǎn)容易，因此容易應(yīng)用於大面積建材，目前已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品在市場(chǎng)行銷，轉(zhuǎn)換效率約11%。不過(guò)，雖然CdTe技術(shù)有以上優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)殒k已經(jīng)是各國(guó)管制的高污染性重金屬，因此此種材料技術(shù)未發(fā)展前景仍有陰影存在。,GaAs Multijuction(多接面砷化鎵),在單晶矽基板上以化學(xué)氣相沉積法成長(zhǎng)GaAs薄膜所製成的薄膜太陽(yáng)能電池，因?yàn)榫哂?0%以上的高轉(zhuǎn)換效率，很

6、早就被應(yīng)用於人造衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板。新一代的GaAs多接面(將多層不同材料疊層)太陽(yáng)能電池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面電池，可吸收光譜範(fàn)圍極廣，轉(zhuǎn)換效率目前已可高達(dá)39%，是轉(zhuǎn)換效率最高的太陽(yáng)能電池種類，而且性質(zhì)穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長(zhǎng)。不過(guò)此種太陽(yáng)能電池的價(jià)格也極為昂貴，平均每瓦價(jià)格可高出多晶矽太陽(yáng)能電池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，預(yù)期並不會(huì)成為商業(yè)生產(chǎn)的主流。,染料敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell),染料敏化感染料電池是太陽(yáng)能電池中相當(dāng)新穎的技術(shù)，產(chǎn)品是由透明導(dǎo)電基板、二氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質(zhì)和ITO電極所組成。此

7、種太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)在於二氧化鈦和染料的材料成本都相對(duì)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。不過(guò)目前主要缺點(diǎn)一是在於轉(zhuǎn)換效率仍然相當(dāng)?shù)?平均約在78%，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品可達(dá)10%)，且在UV照射和高熱下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的光劣化現(xiàn)象，二是在於封裝過(guò)程較為困難(主要是因?yàn)槠渲械碾娊赓|(zhì)的影響)，因此目前仍然是以實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品為主。然而，基於其低廉成本以及廣泛應(yīng)用層面的吸引力，多家實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)仍然在積極進(jìn)行技術(shù)的突破。,有機(jī)導(dǎo)電高分子(Organic/polymer solar cells),有機(jī)導(dǎo)電高分子太陽(yáng)能電池是直接利用有機(jī)高分子半導(dǎo)體薄膜(通常厚約為100nm)作為感光和發(fā)電材料。此種技術(shù)共有兩

8、大優(yōu)點(diǎn)，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(xué)合成技術(shù)改變分子結(jié)構(gòu)，以提昇效率，另一優(yōu)點(diǎn)是採(cǎi)用軟性塑膠作為基板材料，因此質(zhì)輕，且具有高的可撓性。目前市面上已經(jīng)有多家公司推出產(chǎn)品，應(yīng)用在可攜式電子產(chǎn)品如NB、PDA的戶外充電上面，市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者則是美國(guó)Konarka公司。不過(guò)，由於轉(zhuǎn)換效率過(guò)低(約45%)的最大缺點(diǎn)，因此此種太陽(yáng)能電池的未發(fā)展市場(chǎng)應(yīng)該是結(jié)合電子產(chǎn)品的整合性應(yīng)用，而非大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電。,非晶矽薄膜太陽(yáng)電池構(gòu)造,Thin film Si:H advantages,Abundantly available raw materials Low Si and ener

9、gy consumption Flexible, Roll-to-Roll Large area, low temperature ( 250 C) fabrication Tuneable band gap High absorption “Light trapping” arrangement with rough interfaces and dielectric mirrors,Need of raw material,Thin-film solar cells,非晶矽薄膜太陽(yáng)電池製造程,非晶矽薄膜太陽(yáng)電池製造程(玻璃基材),非晶矽薄膜太陽(yáng)電池製造程(玻璃基材),Thin film S

10、i:H challenges,Increasing deposition rate (from 0.1 nm/s to 10 nm/s!), including compatible doped layers Enhance the Isc (absorption, light trapping) Improving stabilized device performance Understanding fundamental physics: low Voc, shunt behavior, light-induced defect creation,非晶矽薄膜太陽(yáng)電池“Amorphous

11、Si:H Thin-film Solar Cell”UniSolar and,薄膜太陽(yáng)能電池 CIGS薄膜電池,此型有種：一種含銅銦硒三元素（簡(jiǎn)稱CISe），一種含銅銦鎵硒四元素（簡(jiǎn)稱CIGS）。由於其高光電效及低材成本，被許多人看好。在實(shí)驗(yàn)室完成的CIGS光電池，光電效最高可達(dá)約19.88，就模組而言，最高亦可達(dá)約13(CISe 約10%)。CIGS隨著銦鎵含的同，其光吸收範(fàn)圍可從1.02ev至1.68ev，此項(xiàng)特徵可加以用於多層堆疊模組，已近一步提升電池組織效能。此外由於高吸光效（104105-1），所需光電材厚需超過(guò)1m，99以上的光子均可被吸收，因此一般粗估產(chǎn)製造時(shí)，所需半導(dǎo)體原物可能

12、僅只US$0.03/W。,薄膜太陽(yáng)能電池 CIGS薄膜電池,Chalcopyrite 半導(dǎo)體的性質(zhì),CIGS太陽(yáng)能電池元件結(jié)構(gòu)演進(jìn),CIGS太陽(yáng)能電池元件製作程,CIGS 薄膜太陽(yáng)電池製造方法,CIGS太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)電池“Copper Indium Diselenide Thin-film Solar Cell ”,245-kW rooftop, thin-

13、film CIS-based solar electric array, Camarillo, California (Shell Solar Industries. ),85-kW thin-film CIS-based BIPV facade, North Wales, UK,結(jié)論,各型太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)需求將與日遽增，且各技術(shù)皆以低成本和提高光電轉(zhuǎn)換效為研究方向。其中又以薄膜太陽(yáng)能電池為現(xiàn)階段最具有取代矽晶太陽(yáng)能電池的可能。 薄膜太陽(yáng)電池中，CIGS是目前具有最高效的電池之一。 現(xiàn)階段CIGS電池主要產(chǎn)技術(shù)仍以真空製程技術(shù)為主，但難以克服大面積及低成本的問(wèn)題。 CIGS非真空製程技術(shù)雖具有

14、低成本以及提高材使用的優(yōu)點(diǎn)，但各方式具有難以克服的關(guān)鍵問(wèn)題皆仍待解決。如CIGS晶成長(zhǎng)等。結(jié),瓶頸,CIGS薄膜太陽(yáng)能電池雖具有高效、低成本、大面積與可撓性等潛優(yōu)勢(shì)，但還有許多需要克服的問(wèn)題接踵而： 製程複雜、技術(shù)選擇百家爭(zhēng)鳴，且供應(yīng)相當(dāng)分歧，各站並無(wú)制式化設(shè)備放大製程之均質(zhì)性佳，變化大 dopant ratio thin window layer Low Voc resulting in increased area loss 系統(tǒng)化的研究與實(shí)驗(yàn)據(jù)十分缺乏許多關(guān)鍵點(diǎn)無(wú)定，如：組成成分、結(jié)構(gòu)、晶界、各層間之介面等 關(guān)鍵原的缺乏 銦元素也是一項(xiàng)潛在隱憂，銦的天然蘊(yùn)藏相當(dāng)有限，國(guó)外曾計(jì)算，如以效1

15、0的電池計(jì)算，人如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有光景可，銦的天然蘊(yùn)藏相當(dāng)有限，國(guó)外曾計(jì)算，如以效10的電池計(jì)算，人如全面使用CIGS光電池發(fā)電供應(yīng)能源，可能只有光景,地?zé)?CdTe Film Deposition,CdTe Film Deposition,CdTe Film Deposition,Rooftop CdTe薄膜太陽(yáng)電池“Cadmium TellurideThin-film Solar Cell”,Katzenbach Juwi Memmingen SAG,SAGFirst Solar -CdTe Rooftop,C-Si Technology in Historic

16、 Perspective,全球PV 前十大廠商,臺(tái)灣太陽(yáng)光電產(chǎn)業(yè)鏈分佈概況,太陽(yáng)光電產(chǎn)值預(yù)期達(dá)成規(guī)模,光電高分子太陽(yáng)能電池,特徵 發(fā)展不久 原理: 利用不同氧化還原型聚合物的不同氧化還原位勢(shì),在導(dǎo)電材料(電極)表面進(jìn)行多層複合,外層聚合物的還原電為較高,電子轉(zhuǎn)移方向只能由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移;另一電極正好相反,奈米晶色素增感solar cell,DSSC進(jìn)展,Why organic solar cell?,Ease of fabrication for large area from solution Transparent Conformal and flexible Low cost of ma

17、nufacturing,Dye-Sensitized Solar Cell,Mechanisms of the DSSC,h : photon absorption a : electron injection b : recombination c : e- transport and collection at conducting substrate d : I- oxidation e : I3- reduction f : ion transport,Basic mechanisms in a DSSC,I/I3- redox electrolyte,dye,h,TiO2,TCO,Counter electrode,a,b,c,d,e,f,2e- + I33I-,3I-I3 - + 2e-,E,-An Introduction to its Principle, Materials, Processes,