薄膜太陽電池的明日之星CIGS

<圖片來源：http://www.globalsolar.com>

近日看到新聞報導，國發基金決議參與太陽海科技現金增資案，投資金額達新台幣5億元，創下國內政府基金參與太陽能廠募資的先例。CIGS太陽能技術目前處於研發階段，是薄膜太陽能中少數尚未有主流製程出現的太陽能技術。雖有目前已存在各種不同製程，但都有其缺陷，加上過去對CIGS半導體材料的研究並未如矽材料透徹，使CIGS太陽能技術帶有部分謎樣色彩。

CIGS太陽能簡介
CIGS是由銅、銦、鎵以及硒所組成的一三五族化合物半導體材料。該材料是由硒化銅銦(CIS)以及硒化銅鎵所組成的固溶體(Solid Solution)，化學式寫作CuInxGa(1-x)Se2，其中x的值為0(純硒化銅鎵)到1(純硒化銅銦)。CIGS屬於四面體結構的半導體，具有黃銅礦晶體結構，其能隙(bandgap)依據銦、鎵比例的不同可從1.0eV(硒化銅銦)變化至1.7eV(純硒化銅鎵)。CIGS屬於多晶薄膜的形式，其晶體結構不同於矽晶體的同質pn接面，而是屬於複雜的異質接面系統。

基本結構


CIGS半導體為直接能隙，可以薄至幾個Micro的厚度，因此可以大量節省材料以及製造過程的能源成本。CIGS薄膜太陽電池的基本結構如圖所示。基板常用1-3mm厚度的鈉鈣玻璃(soda-lime glass)，其上塗布鉬(Mo)作為金屬背面電極。異質接面形成於CIGS與氧化鋅(ZnO)之間，中間還包含硫化鎘(CdS)以及本質氧化鋅(intrinsic ZnO)作為緩衝層。

CIGS由本質缺陷進行p型摻雜，ZnO則藉由鋁(Al)進行大量的n型摻雜。此非均等的摻雜造成空間電荷區大部分位於CIGS層中。再加上材料的厚度以及能隙調配，即可製成具有1.02eV至1.65eV的能隙的CIGS吸收層。

製程方法
CIGS可以多種方法製成。最常見的真空製程，是用蒸鍍(co-evaporates)或濺鍍(co-sputter)的方式將銅、鎵以及銦製成薄膜，再將此薄膜以硒蒸氣進行退火，即完成CIGS結構。另外一種方法是直接共蒸銅、鎵、銦以及硒至一個加熱過的基板上。非真空製程係將先驅物的奈米粒子沈積於基板上，接著以燒結方式形成CIGS結構，具有低設備成本的優勢。部分業者亦從電鍍法或奈米印刷方面研究量產的可能。

競爭優勢
CIGS目前最高光電轉換效率可以達到19.9%，由美國的國家再生能源實驗室所達成，所使用的技術是調整CIGS的表面成為接近CIS的表面。在所有的薄膜太陽電池中，CIGS的最高光電轉換效率比起CdTe的15.0%，多晶矽的10.2%等都還要高。

CIGS雖然沒有辦法達到單晶矽24.7%的轉換效率，但是他的成本卻比單晶矽要低的多。CIGS能夠以多晶的形式直接沈積到塗佈有鉬的玻璃板上，省去單晶矽需要長成大型晶體所需耗費的龐大能源成本。

除具備高轉換效率優勢之外，CIGS也擁有可撓性、可透視及低製造成本等優點。更重要的是，CIGS擁有寬廣的光波吸收頻寬，每日可轉換的電能也較多。

產業現況
投入CIGS薄膜太陽電池研究的廠商甚多，比較知名的列舉如下：
Global Solar Energy、Honda Soltec、IBM、Miasole、Nanosolar (printed electronics)、Q-Cells-Solibro、SoloPower、Solyndra、Sulfurcell、Veeco Instruments Inc以及Würth Solar (CISfab)等。其中Global Solar Energy, Inc.販售可移動式、可撓式的CIGS薄膜太陽能板。Veeco Instruments Inc. 提供整合式的CIGS製程設備，整合了濺鍍以及熱蒸發的製程解決方案。Würth Solar 是德國第一家生產CIGS太陽能電池的廠商，目前年產量30MW。Honda Soltec 從2008年十月開始在全日本銷售CIGS太陽電池作為公共與工業用途。

而如前所述，光碟片大廠錸德成功試產出全台第一片600×1200mm規格的CIGS薄膜太陽能，轉換率大幅提升至17%。錸德表示，CIGS設備已全數進廠裝設完成，第三季會正式投產新世代的CIGS太陽能電池產品。

參考來源：
http://en.wikipedia.org/wiki/Copper_indium_gallium_selenide
http://udn.com/NEWS/STOCK/STO3/5023398.shtml
http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6638