薄膜在 CIGS thin film solar cells 的應用

1. 薄膜在CIGS thin film solar cells 的應用 指導教授：許進明 學生：林怡君 學號：M97L0224

2. Outline • 薄膜太陽能電池的種類 • CIGS簡介 • CIGS優勢條件 • CIGS太陽能電池元件結構 • Nanosolar 薄膜太陽能電池 • 引用

3. 薄膜太陽能電池的種類 (1) 非晶矽(Amorphus Silicon , a-Si) (2) 微晶矽(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si) (3) 銅銦硒化物(CIGS/CIS) (4) 碲化鎘(CdTe) (5)多接面砷化鎵 (GaAs Multijuction) (6) 有機導電高分子(Organic solar cells) (a)染料敏化(Dye-Sensitized Solar Cell , DSSC) (b)高分子 (polymer)

4. CIGS簡介 • 銅銦鎵硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)屬於化合物半導體，CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收範圍可從1.02ev至1.68ev。 • 若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已經可達30%，標準環境測試下元件轉換效率19.5%，採用軟性塑膠基板的最佳轉換效率也已經達到14.1%。 • 美國「Nanosolar」公司達成重大突破，研發出roll to roll的方式-CIGS薄膜太陽能電池，不僅輕巧、可塑性高，更適合大量生產，能大幅降低成本。

5. 優於單晶光伏元件的要素: (1)成本低 (2)製程能源需求低 (3)大面積元件高效率 (4)量產成品高良率 (5)應用範圍廣泛 (玻璃基板、不銹鋼、 塑膠聚合物、錫箔等 可撓式基板)。 優於其他薄膜光伏元件的要素: (1)元件轉換效率最高 (2)穩定度與抗輻射特性良好 (3)無環境污染以及量產阻礙 問題 (4)無法克服劣質p 型吸收層 歐姆接點 CIGS優勢條件

6. CIGS太陽能電池元件結構 頂端電極 Ni / Al 透明導電層 TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) Sputter 純質氧化鋅 i-ZnO(0.05μm) Chemical Bath deposition 緩衝層 CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) • Vacuum method • Non-Vacuum method 吸收層 Sputter 背電極 Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer 基板

7. 通常使用鈉玻璃(Soda-lime)基板，鈉玻璃除了價格便宜外，熱膨脹係數與CIGS 吸收層薄膜相當接近。 在成長薄膜時，因基板溫度接近鈉玻璃的玻璃軟化溫度，所以鈉離子將會經過鉬金屬薄膜層擴散至吸收層。 當鈉離子跑至CIGS 薄膜時，會使薄膜的晶粒變大，且增加導電性，降低串聯電阻。 CIGS太陽能電池元件結構 Glass / Stainless Steel / Polymer

8. 利用直流濺鍍或者電子束蒸鍍的方式沈積一層鉬(Mo)當作背電極，接正極。利用直流濺鍍或者電子束蒸鍍的方式沈積一層鉬(Mo)當作背電極，接正極。 鉬金屬與CIGS薄膜具有良好之歐姆接觸特性，此外鉬金屬薄膜具有高度的光反射性、低電阻。 CIGS太陽能電池元件結構 Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer

9. 吸收層CIGS 本身具黃銅礦結構(Chalaopyrite)，可以藉由化學組成的調變直接得到P-type 或者是N-type 。 Vacuum method (1) 共蒸鍍(Co-evaporation) (2) 濺鍍(Sputtering ) Non-Vacuum method (1) 電鍍(Electrodeposition) (2) 塗佈製程(Coating Process) CIGS太陽能電池元件結構 CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer

10. Vacuum method- Co-evaporation 3-stage process 1. In, Ga and Se were Co evaporated at 400 ℃ 2. Cu and Se were codeposited while the substrate temperature was ramped up to 580 ℃. 3.In, Ga and Se were coevaporated still at 580 ℃，The samples were then cooled in Se atmosphere down to 250 ℃

11. 緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO 與CIGS 間之能帶上的連續(band discontinuity) 。 使用化學水浴沉積法(chemical bath deposition，簡稱CBD) 成長可提供CIGS 上表面平整的均勻覆蓋。 緩衝層要求高透光率，以便能使入射光順利進入主吸收層材料被有效的吸收。 CIGS太陽能電池元件結構 CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer

12. 化學水域沉積法 化學水浴沉積法 (Chemical bath deposition) 是一種製備半導體薄膜的技術，方法是將基板浸入含有金屬離子及OH-、S2-或Se2-離子的水溶液中，藉由控制水溶液的溫度及pH 值，使金屬離子與OH-、S2-或Se2- 離子產生化學反應，形成化合物半導體沉積在基板上。

13. 透明導電膜(TCO) 要低電阻、高透光率，但ZnO 本身是高電阻材料，因此外加鋁重摻雜氧化鋅(ZnO: Al) 改善其電性，但是會降低透光率，因此須在此找到最適合的摻雜濃度 。 多半利用RF 濺鍍法(RF sputter)達成鍍膜。 CIGS太陽能電池元件結構 TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer

14. 蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層當作頂層電極，接負極。 CIGS太陽能電池元件結構 TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm) Glass / Stainless Steel / Polymer

15. Nanosolar 薄膜太陽能電池 • 是世界上第一個印製而成的薄膜太陽電池，也是世界上第一個最低售價的太陽能板。 • 在金屬基板上將半導體塗料利用印刷技術量產的薄膜太陽電池。 • 是目前最簡單、快速且產量最大，但相對成本較低的製程技術 。

16. 捲軸式(roll to roll)的CIGS太陽能電池 • 將銅銦鎵硒奈米粉體直接噴灑於鋁箔上，而鋁箔的導電率是不鏽鋼的20倍，可當作下電極 。 • 利用捲軸式(roll to roll)的方式印製，將這些粉體依正確的原子比例完整且均勻的沉積於基板上。 • 其結構與傳統之CIGS電池相似，但成本卻降至傳統電池的一半以下。

17. 引用 • 國立東華大學光電工程研究所碩士論文-影響硒化銅銦鎵太陽能電池表現之元件特性 • 國立東華大學光電工程研究所碩士論文-硒化銅銦鎵薄膜太陽能電池中緩衝層的製備與特性分析 • 工研院材料與化工研究所-銅銦鎵硒薄膜太陽能電池技術與應用趨勢 • 中央大學光電系:陳昇暉-薄膜在太陽能上的應用 • 《TIME雜誌》Nanosolar 薄膜太陽能電池 • 從量產印刷式CIGS型太陽能電池看Nanosolar的技術突破點與銷售策略