軟性非真空無鎘CIGS元件 推展太陽光電的嶄新能量

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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(yīng)，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(jì)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(jī)、政府補(bǔ)助緊縮和小型系統(tǒng)當(dāng)?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(yīng)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(bǔ)助及收購的措施，以擴(kuò)大太陽光電的規(guī)模，顯見太陽光電設(shè)備的成本及價(jià)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(jià)」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(dá)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(jià)」(Grid Parity)是太陽光電能否普及的關(guān)鍵，也就是必須要能以當(dāng)前相同的花費(fèi)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(dá)到市電同價(jià)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(jī)會可以達(dá)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中已可達(dá)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(jìn)一步解釋，除了實(shí)際的生產(chǎn)制造成本外，環(huán)境成本也是團(tuán)隊(duì)所考量的重點(diǎn)，因?yàn)橐嬲龅健妇G色」能源，并非只是不使用石油或核能等原料，而是要能實(shí)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(fù)擔(dān)

　　CIGS銅銦鎵硒太陽電池自問世至今，已有約三十年的時(shí)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(dá)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(shí)至今日，在強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換效率、應(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(shè)備與環(huán)境，要求上也較為嚴(yán)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(dá)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(tuán)隊(duì)也希望能藉由非真空技術(shù)的開發(fā)，達(dá)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(tuán)隊(duì)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(dá)到更完美的晶體型態(tài)。同時(shí)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(dāng)高，影響著轉(zhuǎn)換效率的表現(xiàn)，但在實(shí)驗(yàn)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(shè)備，亦可提高涂布時(shí)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(dá)到11.5%。表示，估計(jì)當(dāng)轉(zhuǎn)換效率提升至13%時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)市電同價(jià)的目標(biāo)，但「就算達(dá)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(jià)」;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(dá)到市電同價(jià)。

　　無鎘緩沖層減低污染問題

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