軟性非真空無鎘CIGS元件 推展太陽光電的嶄新能量 - 全文

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　　既環(huán)保又低成本的軟性非真空無鎘CIGS元件技術(shù)獲得本年度工研院杰出研究獎銀牌獎。

　　近來受到歐美景氣低迷，加上中國對其太陽光電產(chǎn)業(yè)的扶植效應，造成許多國際太陽能廠商相繼破產(chǎn)關(guān)廠，或是關(guān)閉部份生產(chǎn)線，引起產(chǎn)業(yè)不小的震撼。不久前，在工研院產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟與趨勢研究中心(IEK)所舉辦的「太陽光電產(chǎn)業(yè)撥云見日之道」研討會中，產(chǎn)業(yè)分析師楊翔如也指出，全球太陽光電市場正面臨歐美債信危機、政府補助緊縮和小型系統(tǒng)當?shù)赖热笳n題，亦透露出現(xiàn)今太陽光電產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)。

　　透過太陽光轉(zhuǎn)換為電能，提供各式電器產(chǎn)品的電力來源，不只是再生能源應用中的要角，也是解決能源議題的一塊重要拼圖。但過去為了推廣太陽光電，各國多是采取補助及收購的措施，以擴大太陽光電的規(guī)模，顯見太陽光電設備的成本及價格仍舊過高;因此面對政府支持趨緩、企業(yè)自顧不暇的現(xiàn)象，太陽光電產(chǎn)業(yè)必須克服「成本」問題就更加刻不容緩。

　　「市電同價」是普及關(guān)鍵

　　根據(jù)美國國家再生能源研究所(National Renewable Energy Laboratory，NREL)研究指出，目前每生產(chǎn)一瓦(W)電力的平均成本約為0.5美元，但以晶矽(Silicon)或非晶矽(a-Si)太陽能電池生產(chǎn)電力，卻高達1美元左右，碲化鎘(Cadmium Telluride，CdTe)太陽電池也要0.64美元;最接近的則是銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium diSelenide，CIGS)太陽電池，約僅0.54美元。

　　以目前的產(chǎn)業(yè)及社會趨勢，工研院綠能與環(huán)境研究所專案經(jīng)理吳宗鑫表示，「市電同價」(Grid Parity)是太陽光電能否普及的關(guān)鍵，也就是必須要能以當前相同的花費來換取電力，才能讓民眾更容易接受并使用太陽光電;顯見CIGS太陽能電池是最有可能達到市電同價的太陽能電池，甚至經(jīng)過轉(zhuǎn)換效率提升及成本下降后，還有機會可以達到每瓦電力成本低于0.4美元。

　　針對CIGS太陽電池的技術(shù)開發(fā)，工研院團隊同樣是從「成本」的概念著手;如果能透過技術(shù)的提升，使整體生產(chǎn)成本降低，不只有利于推廣太陽光電，同時廠商也會更愿意投入。此外，在轉(zhuǎn)換效率上，CIGS太陽電池在實驗數(shù)據(jù)中已可達20%，高于以矽晶圓或碲化鎘為材料的太陽能電池，因此更能在成本與轉(zhuǎn)換效率的加乘下創(chuàng)造更高的效益。

　　進一步解釋，除了實際的生產(chǎn)制造成本外，環(huán)境成本也是團隊所考量的重點，因為要真正做到「綠色」能源，并非只是不使用石油或核能等原料，而是要能實現(xiàn)對環(huán)境友善，因此才逐漸發(fā)展出「軟性非真空無鎘CIGS元件」技術(shù);其中即分別針對吸收層、緩沖層、模塊等部份，開發(fā)「非真空」、「無鎘」與「軟性」等CIGS太陽電池技術(shù)。

　　非真空制程紓解成本負擔

　　CIGS銅銦鎵硒太陽電池自問世至今，已有約三十年的時間;最早是由美國NASA所研發(fā)，并用于外太空的環(huán)境中。相較于一般所見的矽晶圓太陽能板，CIGS太陽電池對于環(huán)境的耐受度更高，包括高低溫度的變化以及幅射線等，基本上都不會對電池本身造成破壞，使用壽命也可達到近二十年左右;因此目前送上太空的衛(wèi)星，幾乎都是采用CIGS太陽電池。

　　時至今日，在強調(diào)轉(zhuǎn)換效率、應用層面等目的之下，許多國內(nèi)外廠商都投入CIGS太陽電池的研發(fā)，但所著重的制程技術(shù)卻各有輕重巧妙。以相當于CIGS太陽電池元件心臟的吸收層，其制程向來是以真空技術(shù)為主，如目前德國Wurth Solar和Solarrian使用的共蒸鍍技術(shù)，以及日本Solar Frontier的濺鍍硒化技術(shù)等，都是屬于真空技術(shù);尤其對于半導體廠商來說，對于濺鍍技術(shù)原本就不陌生，可快速轉(zhuǎn)換投入生產(chǎn)。

　　但真空技術(shù)所需要的生產(chǎn)設備與環(huán)境，要求上也較為嚴苛，成本自然就會提高不少;若改采非真空制程技術(shù)，不僅能大幅降低成本，并且結(jié)合印刷方式生產(chǎn)，更能達到大面積、連續(xù)性的量產(chǎn)。以美國ISET與Nanosolar等公司，就是采用非真空吸收層制程技術(shù)。

　　工研院團隊也希望能藉由非真空技術(shù)的開發(fā)，達到減低成本的目的。不過表示，從真空制程轉(zhuǎn)為非真空制程，并不如想象中容易;雖然產(chǎn)業(yè)對于真空制程技術(shù)的了解已很透徹，但以材料的相變化為例，在非真空制程中就會產(chǎn)生不一樣的情況，如果只是直接套用真空制程下的配方及模式，反而會使得電池的轉(zhuǎn)換效率降低。

　　經(jīng)過多次瓶頸后，研發(fā)團隊決定將原有的真空技術(shù)舍棄，重新針對材料特性與非真空環(huán)境研發(fā)吸收層的技術(shù)，以達到更完美的晶體型態(tài)。同時在涂布技術(shù)上，各家廠商采用的印刷方法也各有不同，例如刮刀、噴灑、旋轉(zhuǎn)涂布等;吳宗鑫指出，CIGS薄膜太陽能電池對涂布的均勻性要求相當高，影響著轉(zhuǎn)換效率的表現(xiàn)，但在實驗室中通常只能使用刮刀式的印刷，產(chǎn)品面積也較小，若能結(jié)合產(chǎn)業(yè)較佳的印刷生產(chǎn)設備，亦可提高涂布時的均勻質(zhì)量。

　　以目前的研發(fā)成果，在非真空的吸收層制程下，CIGS太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已可達到11.5%。表示，估計當轉(zhuǎn)換效率提升至13%時，就能實現(xiàn)市電同價的目標，但「就算達不到13%的轉(zhuǎn)換效率，透過整體生產(chǎn)成本的降低，仍然可以做到市電同價」;可是如果采用的是真空制程技術(shù)，在相同的轉(zhuǎn)換效率下，就會因成本過高而無法達到市電同價。

　　無鎘緩沖層減低污染問題

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　　非真空的吸收層制程下，CIGS太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已可達到11.5%。

　　(圖為相關(guān)技術(shù)的漿料制程設備)

　　CIGS太陽電池的另一項特性，在于使用了價格較高的銦、鎵、硒等稀土元素，尤其銦和鎵的存量原本就較少，并有七成的蘊藏量及超過九成五的出產(chǎn)量皆來自中國，加上近年中國對于稀土出口的限制緊縮，促使價格上漲;象是過去三年以來，鎵的價格就翻漲了一倍。

　　不過也分析，就CIGS太陽電池的體積，其中使用到稀土元素的CIGS層，厚度僅僅只有2 μm(Micrometer，微米)，與一般東方人頭發(fā)直徑10 μm相較，也就是只有五分之一的頭發(fā)厚度;換句話說，稀土原料的成本雖不容易下降，但在CIGS太陽電池中的用量卻不多，占總生產(chǎn)成本的比例不到10%，反而是材料使用率相對來說更為重要。

　　另一項值得關(guān)切的原料，研發(fā)團隊則是希望能夠替換太陽電池緩沖層中所使用的硫化鎘(CdS)。過去在***及日本等地，都發(fā)生過鎘污染事件，對環(huán)境、經(jīng)濟、健康都造成傷害;鎘化物在太陽電池正常運作時雖不至于產(chǎn)生問題，但在德國也曾發(fā)生過因農(nóng)場火災，使得太陽能系統(tǒng)損毀并導致污染的疑慮。

　　傳統(tǒng)CIGS太陽能電池上層的N-type半導體中，為避免氧化鋅(ZnO)破壞CIGS層的表面，會鍍上硫化鎘做為緩沖層來保護CIGS層，并且和CIGS層之間的搭配也較好，因此目前還是有不少廠商仍采用硫化鎘為緩沖層的材料;尤其在更換硫化鎘的同時，通常轉(zhuǎn)換效率也會跟著低落。

　　基于對環(huán)境成本的考量，以硫化銦取代硫化鎘，并能維持轉(zhuǎn)換效率，是研發(fā)團隊努力的方向。吳宗鑫解釋，在真空制程與非真空制程之下，吸收層的表面性質(zhì)將截然不同;于是研發(fā)團隊同樣從配方源頭開始不斷修正，并針對不同制程的特性開發(fā)無鎘緩沖層技術(shù)，讓廠商不論采用的是真空或非真空制程，都有無鎘的緩沖層技術(shù)得以搭配。

　　以結(jié)合吸收層的非真空制程與緩沖層的無鎘技術(shù)，除了可以解決鎘危害、降低環(huán)境成本，同時在改用硫化銦后，一方面原物料成本比硫化鎘還低，厚度也只有30 nm(Nanometer，納米，千分之一微米)，用量十分少，而且可減少因處理含鎘廢棄物所需的昂貴費用;甚至因為使用硫化銦而產(chǎn)生的含銦廢棄物，還可經(jīng)販售回收后再度利用，對生產(chǎn)成本與環(huán)境成本皆有益處。

　　軟性模塊擴大應用領域

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　　工研院研發(fā)的無鎘緩沖層技術(shù)，讓廠商不論采用真空或非真空制程，都有無鎘的緩沖層技術(shù)得以搭配。(圖為硒化制程設備)

　　很多人都看過架設在建筑頂部的太陽能板，在歐洲及中國等地，還有不少「Solar Farm」(太陽能電場)的建設，以大量獲取太陽光能轉(zhuǎn)換的電力;然而，這些太陽光電系統(tǒng)的建置，基本上都是在固定的基座上，所使用的太陽能電池，也多是傳統(tǒng)以玻璃為基板的結(jié)構(gòu)，不論是在重量或體積上都有一定的份量，也更加突顯出「軟性」薄膜太陽能電池的優(yōu)勢。

　　以歐洲為例，所見到的太陽能板規(guī)格，皆為60公分乘以120公分，就是經(jīng)過計算符合一位歐洲成年男子所能夠舉起的最大面積，以及因應以人工扛上屋頂?shù)募茉O方式;這對于太陽光電的應用推廣，就不免產(chǎn)生了限制。甚至在國內(nèi)，一般屋頂上的太陽能板因考慮照射角度及通風散熱而架高斜設，但亦有高度限制，否則也會被視為違建。

　　甚至在材料成本方面，硬式的玻璃基板比起目前的軟性基板還要高;顯見改為軟性薄膜型式的太陽能電池，不只能提高應用范圍，并可改善廠商的利潤。以工研院選用的軟性不銹鋼基板，除了本身就具導電性質(zhì)外，還可免除鋁箔的表面氧化問題，以及因應硒化制程中，需避免鋁箔基板接觸硒蒸氣所產(chǎn)生的嚴重反應，因而必須提高機臺設計的復雜性。

　　此外，以不銹鋼為基板材質(zhì)，價格也比另一種主流材料銅(箔)來得便宜。同時研發(fā)團隊也正嘗試運用有機高分子材料PI(Polyimide，聚亞醯胺)做為CIGS太陽電池的基板，這種早期在真空環(huán)境中用做黏著的膠材，特質(zhì)在于耐熱性佳、應用性廣，不會有金屬高溫擴散問題，且相同面積下成本僅約玻璃的十分之一，國內(nèi)廠商即有優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)技術(shù)，可將PI的耐熱程度提高到400度C以上。

　　尤其考慮到環(huán)境成本的問題時，制造簡單、原料便宜的PI，還可以回收重新利用。只是在真空制程中，因溫度超過500度C，并不適合使用PI;目前也只有一種PI產(chǎn)品的耐熱溫度達到480度C，符合其它制程的需要。因此，如何進一步降低制程中的熱處理溫度，讓CIGS太陽電池能夠廣泛使用PI來制作基板并降低成本，就是研發(fā)團隊正在努力的方向之一。

　　技術(shù)整合發(fā)展更具彈性

　　結(jié)合了非真空、無鎘、軟性等技術(shù)的「軟性非真空無鎘CIGS元件」，其應用層面便可較以往擴增。除了仍可以玻璃為基板，取代傳統(tǒng)硬板的太陽電池外，更因為具備了軟性的特色，而在使用場所上減少受限;象是可配合建筑外墻的變化平貼設置，不但不影響建筑的設計樣式，裝置面積亦可大幅提升，提高發(fā)電量。

　　「都市里的居民考慮到大樓遮蔽而發(fā)電量減少的問題，所以對裝設太陽能板興趣缺缺，主因還是在于成本太高;如果成本能夠便宜到即使短時間被遮擋陽光也不會介意，就會有更多的應用機會?！箙亲邛我惨蕴柲茈妱榆嚍槔?jīng)過輕量化、軟性、可連續(xù)生產(chǎn)的CIGS太陽電池，可以迎合不同的車型設計，不需要各別制作模具來生產(chǎn)特定尺寸的太陽能板，也是最好的解決方法。

　　攜帶方便、容易與電子用品搭配的「軟性非真空無鎘CIGS元件」，其實更是個良好的「輔助」補充能源，只要透過微小的部件空間，例如手機的邊框就可以裝設充電，藉此延長電池的續(xù)航力，進而降低原有電池與產(chǎn)品的體積。因此若與國內(nèi)的3C產(chǎn)業(yè)結(jié)合，也會有相當大的市場優(yōu)勢，成為***才有的獨特產(chǎn)品;甚至是帳棚、登山衣等戶外應用，都是可以開發(fā)的層面。

　　需要合適設備相輔相成

　　在團隊合作之下，軟性非真空無鎘CIGS元件，更可發(fā)為良好的「輔助」補充能源。

　　不像其它廠商或研發(fā)機構(gòu)，只在CIGS太陽電池的吸收層、緩沖層與模塊等三大部份中，專注投入于一至兩項技術(shù);「軟性非真空無鎘CIGS元件」是領先世界將這三項創(chuàng)新技術(shù)整合開發(fā)，達到「三位一體」的效果，因此不會產(chǎn)生各技術(shù)之間互不協(xié)調(diào)或不適用的狀況;而且在研發(fā)同時，也了解到生產(chǎn)設備需要哪里些特性與規(guī)格，并布局專利，更接近實際量產(chǎn)階段。

　　吳宗鑫表示，目前生產(chǎn)CIGS太陽電池的廠商，多是由本身的技術(shù)出發(fā)，并設計或改良設備來配合，有時也會利用標準化的設備，但這在面對不同技術(shù)間的差異時，如拼裝車式的設備并無法完全一體適用;也就是說，針對自有的完整技術(shù)與原理來設計制造適合的設備，才能達到最好的效果。

　　每當談到太陽能時，多數(shù)人都關(guān)注在電池部份，但事實上，生產(chǎn)設備的輔助更不能少。吳宗鑫認為，沒有適合的制造設備，是CIGS太陽電池需要突破的地方，但也是國內(nèi)廠商的一大切入時機，更有機會成為主流、搶占市場;尤其這些設備的重點并不在于精準度的要求，而是需要標準化及前后設備之間的串接整合。若有技術(shù)與設備的密切搭配，以及更多廠商的加入，將可創(chuàng)造樂觀的產(chǎn)業(yè)與市場前景，以低廉成本創(chuàng)造高普及率，提升***太陽光電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。