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1、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池 技術與市場分析,Stability Reliability,Cost,%,Ink-printing,vacuum,2/w,0.2/w ?,兩難,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35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),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
2、 Electro deposition Nano ink PVD Evaporate 多靶電子搶設備成本 Sputtering (陳都博士 主導 ) 靶材是關鍵： 能做出高均勻性Copper-Indium-Gallium alloy target做的出來嗎？ 靶材做出來後打出來成分就對嗎？ 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 LineProduction Line生產線 Batch type : Static State Roll to Roll:Dynamic St
3、ate,目前CIGS Solar Cell國內外主要研究機構,不同世代技術需改善之方向,目前主要技術發展,1 generation,ZnO,CdS,CIGS,Mo,2 generation Cost down,3 generation High eff,4 generation stability,ZnO,CdS,CIGS,Mo,reliability,Cd free,變,厚度、成分、製程,光學特性,投入廠商 Aoanics、Miasok,投入廠商 Honda、Showa、,1998,2004,2008,不同世代效能進步目標 2nd generation 30% 理論極限 3rd genera
4、tion 5565% Multi junction,太陽能產業各世代投入人才之差異性 1st EE、phys 2nd EE、phys + material 3rd EE、phys + material + chemical Engineer,台灣與歐美日發展太陽能差異性 Materials/Process /Facilities 整合發展,siemens,shell,元件 、機械、設備,自製,Know how,Patent,歐、美、日,台灣,具規模廠商?,購買 turnkey,元件 、機械、設備，非自製,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,技術
5、支援,中科院 工研院:太陽光電中心 核能所 中山大學:曾百亨 逢甲大學:駱榮富 東華大學:翁明壽,為何要發展CIGS太陽能電池,台灣目前發展替代能源主要集中在太陽能、風力發電這兩區塊，而其中又以太陽能產業鏈較為完整，整體創造的營業額也較高。太陽能為清潔環保之能源，且來源不虞匱乏，故太陽能電池之開發極具長期發展潛力。目前台灣以矽基太陽能電池為主，上游的晶圓材料98%仰賴進口，但矽材料價位價高，造成單單矽晶片佔整個模組成本3545之間，但由於台灣並非矽原材料及純化的主要生產國，所以成本完全掌握在國外矽材料供應商大廠MEMC、ESSA（European Solar Silicon Assn.）、Wa
6、cker、Hemlock（美國）、JSS（Joint Solar Silicon）、Tokuyama（日本）、REC（日本）、M. Setek（日本），但全球矽材料短缺的問題，卻也是現今台灣與其他世界各國廠商共同面臨的發展瓶頸，除了佔成本結構超過五成的原料缺乏問題有待克服，如何提高其能量轉換效率、降低矽晶圓厚度，亦是技術研發主軸，故如能朝材料成本較低廉以及能大面積生產的薄膜太陽能電池發展，台灣必能在太陽能產業站穩腳步。,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
7、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
8、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1319.4%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
9、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。,太陽能電池轉化效能,From :NREL Thomas Surek Presentation,Thin Film CIGS Solar Cells Efficiencies,From :Rommel Noufi and Ken Zweibel National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO 80401, USA HIGH-EFFICIENCY CDTE AND CIGS THIN-FILM S
10、OLAR CELLS: HIGHLIGHTS AND CHALLENGES*,Polycrystalline Thin Film PV Modules,CIGS Device Structure,CIGS特性,Cu In Se2CIS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1.02eV1.68eV之間）,因為CuInSe
11、2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 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) ，
12、x為Ga的含量、1-x為In的含量，b值的大小在0.150.24eV 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
13、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,各層功能性,Substrate : Glass , Metal foil ,Plastic Sheet 當底材支撐 鈉玻璃 : 使用鈉玻璃在成長CuInSe2,當基材加溫到400度以上,接近玻璃的軟化點,會促使鈉離子的擴散,影響CuInSe2晶粒成長,增強(112)方向的結晶性,增進薄膜的品質,增加元件的效率 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 CuInS
14、e2成長在鉬薄膜能形成平整的表面,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）,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 Windows Layer : ZnO:Al , ITO 透光層須具備高的透光率,以及低的電阻值 ZnO具有高的透光率,摻雜Al可降低其電阻值,且不影響其透光率 鋁金屬電極 Al與 Zn
15、O:Al 能產生良好的歐姆接觸,可充分收集吸收光後產生的電流 鋅金屬層 鋁電極接觸到氧氣產生氧化鋁絕緣層,造成太陽電池產生的電子流,流經鋁電極收集時產生組抗,故在鋁電極上再披覆一層鋅金屬層,使元件串聯時電阻降到最小,Consider ZnO/ZnS mixtures,國內外相關研究單位與產業界投入狀況分析,台灣發展CIGS太陽能電池狀況,目前國內已投入及有意投入薄膜太陽能電池的公司： 較早投入薄膜太陽電池的光華開發及2006年Spin off 出去的大豐能源 2006年通過在竹科進駐申請的鑫笙能源科技公司 今年聯電轉投資的聯電集團轉投資晶能,3月改名聯相光電(NexPower ),4月初宣布改
16、投入薄膜太陽能電池市場,計畫今年以20億元引進日本真空(Ulvac )公司技術並設立一條年產能25MW的生產線,Ulvac將向聯電提供薄膜太陽能電池產品的設備和技術支援。但以上公司所發展的薄模太陽能電池或進度與國外研究單位或產業有極大的落差。 反觀國內在製程設備、撓曲式基材、CIGS製程研發，尚缺乏一大型計劃在做整合，如此下去會喪失專利的申請機會，屆時又只能落入向歐美日請求製造授權買其設備、材料來做低毛率的代工產業 進一步整合國家資源支持研究單位如工研院及各大學，發展CIGS製程技術、奈米技術、真空鍍膜技術、封裝與模組化技術以及量測技術，及協助設備製造商及材料廠商做有系統的發展，而不至於最後台
17、灣廠商只能取得國外專利授權變成只是OEM廠商，此時應刻不容緩。,CIGS Thin Film Solar Cell廠商,亞化 ： 正式宣佈跨入銅銦鎵硒（CIGS）太陽能薄膜研發生產，由CIGS權威楊立中博士共同研發，預計2008年底即可試產，未來將成立一家新公司，資本額超過百億元，由亞化持股超過5成 中山科學研究院材料暨光電研究所：計畫主持人：季法文、林坤豐 博士 工研院太電中心：黃瑜博士 中山大學材料所：曾百亨 教授 中國“十一五”規劃銅、銦、鎵、硒（Cu、In、Ga、Se2）（簡稱CIGS），薄膜太陽能光電池。它以高轉換率（光電轉換率可達16%17%）、低成本（大批量生產成本在56元/W，
18、只有目前單晶硅太陽能電池的1/61/8）、生產效率高，可大規模自動化生產，產品可卷曲，使用方便，適用面廣，并具有優良的抗輻射，抗干擾和廣譜吸收能力等特點便于大規模普及使用和推廣。,目前投入量產的歐美日企業,Nanosolar DayStar / Globalsolar / Heliovolt / Honda soltech,CIGS Top Research Departments in the world,USA:NREL 、International Solar Electric Technology 、Daystar 、Nanosolar 、Global solar energy 、He
19、liovolt 、Miasole 、Magnolia Solar Japan:Showa Shell 、Honda soltech 、Matsushita Germany: Sulfurcell 、Shell Solar 、Wurth Solar 、CIS Solar 、CIS Solartechnik 、ZSW Swiss:ETH Sweden:Solibro France:DEF-CNRS Australia :UNSW,日本本田子公司 Honda Soltec CIGS Solar Cell,製程技術與設備,roll-to-roll manufacturing processes,製程方
20、法,Back Contact layer：Mo on PI（DC Sputtering） Absorberlayer：Cu、In、Ga、Se（Co-Evaporation）：單獨使用熱蒸鍍：銅、銦、鎵、硒混合成一定比例之蒸鍍材 濺鍍靶槍+一熱蒸鍍源：銅、銦、鎵個別靶材，硒蒸鍍材 單濺鍍靶槍支銅、銦、鎵、硒混合並燒結成濺鍍靶材（須與靶材製造單位合作） CIGS電池的構造一般，分別在基板上累積背面電極層、CIGS吸光層、緩衝層、透明電極及接出電極等所組成。基板係使用鈉玻璃，背面電極則使用噴鍍法(Spatter)的鉬膜，緩衝層則使用ZnO/CdS等。CdS緩衝層則以化學析出法形成，透明電極可使用Zn
21、O：Al或氧化銦、錫(ITO)等，並以噴鍍法或化學氣相推積法(CVD)法所形成。接出電極可使用Al，Ni 等金屬。各積層中CIGS吸光層的品質是影響CIS電池的重要部分,利用真空長膜優缺點,優點： CIGS薄膜太陽電池與矽基太陽電池比較具有可撓、易於大面積化、製程簡單且低耗能、低成本等優勢，而轉化效率目前在研究單位已能達到1319.4%的效能。 利用多Source物理氣相濺鍍/蒸鍍易於控制CIGS成膜時之成分比例 容易取得CIGS Solar Cell相關資料，對於研究初期具有極大的幫助 缺點： 製程較複雜（如能研究發展單Source物理氣相濺鍍/蒸鍍對減少製程步驟與提昇throughtput
22、 有極大的幫助） 設備成本較高（因CIGS Solar Cell設備門檻不高故易於設備本土化） 此法成長之膜為非晶型態（故需經熱處理成結晶結構） 長膜速度較慢（多靶槍同時鍍膜）,主要使用可撓曲性基材之特性,資料來源：Friedrich Kessler, Dominik Rudmann Solar Energy 77 (2004) 685695：Technological aspects of flexible CIGS solar cells and modules,利用物理氣相濺鍍/蒸鍍的主要研究單位,資料來源：Friedrich Kessler, Dominik Rudmann Solar
23、 Energy 77 (2004) 685695：Technological aspects of flexible CIGS solar cells and modules,應 用,發展CIGS太陽能流程,CIGS Solar Cell Process Challenges,Understanding of film growth, microstructures, defects, and device physics complex but “tolerant” to processes Recipe for high-efficiency devices: Cu-rich step (
24、large grains) followed by In-rich step (for target composition) Role of Na (necessary); higher band gap alloys (Ga, S) Alternate, Cd-free window/buffer layers Process controls in manufacturing for uniform composition and thinner films (1 m); higher throughput and yield Large area Throughput and Yiel
25、d,尚待克服之問題,從國外廠商在研發這類光電池技術過程來看，CIGS在高光電效率、低材料成本確實有其優勢存在。不過，還有: （1）投資成本高、製程複雜：為因應製程上的麻煩，已有許多廠商投入，但要改良方式以降低成本，非一朝一夕能夠達成（但在台灣有絕對的優勢，如是否思考將3.5代TFT-LCD或ITO產線鍍膜設備做變更設計）。奈米科技加持，有了不同研發方向及角度，可能有機會，但在製程過程中，良率會有多少變化，將是一項挑戰。 （2）硫化鎘潛在危機：在正常情況下，鎘是隱藏在電池中不會外露，但鎘的毒性之強，誰也不敢擔保不會危害人們，因此，許多廠商基於這個因素而捨棄這類光電池的開發（但相對的此缺陷也造成有些研究單位改以ZnS作為取代硫化鎘介層，目前效果也不差） （3）關鍵原料：銦在自然界蘊藏量相當有限，原材料使用到銦元素也是另一項潛在隱憂。（但這因素可藉由取代銦材料的研究、CIGS使用到銦材料成分的控制以及設備更改提高因的使用效率）,市場報價,Solarbuzz即時報價系統 http:/