非真空的吸收層制程 - 軟性非真空無(wú)鎘CIGS元件 推展太陽(yáng)光電的嶄新能量

　　(圖為相關(guān)技術(shù)的漿料制程設(shè)備)

　　CIGS太陽(yáng)電池的另一項(xiàng)特性，在于使用了價(jià)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(yùn)藏量及超過(guò)九成五的出產(chǎn)量皆來(lái)自中國(guó)，加上近年中國(guó)對(duì)于稀土出口的限制緊縮，促使價(jià)格上漲;象是過(guò)去三年以來(lái)，鎵的價(jià)格就翻漲了一倍。

　　不過(guò)也分析，就CIGS太陽(yáng)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(shuō)，稀土原料的成本雖不容易下降，但在CIGS太陽(yáng)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(duì)來(lái)說(shuō)更為重要。

　　另一項(xiàng)值得關(guān)切的原料，研發(fā)團(tuán)隊(duì)則是希望能夠替換太陽(yáng)電池緩沖層中所使用的硫化鎘(CdS)。過(guò)去在***及日本等地，都發(fā)生過(guò)鎘污染事件，對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、健康都造成傷害;鎘化物在太陽(yáng)電池正常運(yùn)作時(shí)雖不至于產(chǎn)生問(wèn)題，但在德國(guó)也曾發(fā)生過(guò)因農(nóng)場(chǎng)火災(zāi)，使得太陽(yáng)能系統(tǒng)損毀并導(dǎo)致污染的疑慮。

　　傳統(tǒng)CIGS太陽(yáng)能電池上層的N-type半導(dǎo)體中，為避免氧化鋅(ZnO)破壞CIGS層的表面，會(huì)鍍上硫化鎘做為緩沖層來(lái)保護(hù)CIGS層，并且和CIGS層之間的搭配也較好，因此目前還是有不少?gòu)S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(shí)，通常轉(zhuǎn)換效率也會(huì)跟著低落。

　　基于對(duì)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)同樣從配方源頭開(kāi)始不斷修正，并針對(duì)不同制程的特性開(kāi)發(fā)無(wú)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(wú)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(wú)鎘技術(shù)，除了可以解決鎘危害、降低環(huán)境成本，同時(shí)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(fèi)用;甚至因?yàn)槭褂昧蚧煻a(chǎn)生的含銦廢棄物，還可經(jīng)販?zhǔn)刍厥蘸笤俣壤?，?duì)生產(chǎn)成本與環(huán)境成本皆有益處。

　　軟性模塊擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

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　　工研院研發(fā)的無(wú)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(wú)鎘的緩沖層技術(shù)得以搭配。(圖為硒化制程設(shè)備)

　　很多人都看過(guò)架設(shè)在建筑頂部的太陽(yáng)能板，在歐洲及中國(guó)等地，還有不少「Solar Farm」(太陽(yáng)能電場(chǎng))的建設(shè)，以大量獲取太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換的電力;然而，這些太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)。

　　以歐洲為例，所見(jiàn)到的太陽(yáng)能板規(guī)格，皆為60公分乘以120公分，就是經(jīng)過(guò)計(jì)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(yīng)以人工扛上屋頂?shù)募茉O(shè)方式;這對(duì)于太陽(yáng)光電的應(yīng)用推廣，就不免產(chǎn)生了限制。甚至在國(guó)內(nèi)，一般屋頂上的太陽(yáng)能板因考慮照射角度及通風(fēng)散熱而架高斜設(shè)，但亦有高度限制，否則也會(huì)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(jiàn)改為軟性薄膜型式的太陽(yáng)能電池，不只能提高應(yīng)用范圍，并可改善廠商的利潤(rùn)。以工研院選用的軟性不銹鋼基板，除了本身就具導(dǎo)電性質(zhì)外，還可免除鋁箔的表面氧化問(wèn)題，以及因應(yīng)硒化制程中，需避免鋁箔基板接觸硒蒸氣所產(chǎn)生的嚴(yán)重反應(yīng)，因而必須提高機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　此外，以不銹鋼為基板材質(zhì)，價(jià)格也比另一種主流材料銅(箔)來(lái)得便宜。同時(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)也正嘗試運(yùn)用有機(jī)高分子材料PI(Polyimide，聚亞醯胺)做為CIGS太陽(yáng)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(yīng)用性廣，不會(huì)有金屬高溫?cái)U(kuò)散問(wèn)題，且相同面積下成本僅約玻璃的十分之一，國(guó)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(wèn)題時(shí)，制造簡(jiǎn)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(guò)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(dá)到480度C，符合其它制程的需要。因此，如何進(jìn)一步降低制程中的熱處理溫度，讓CIGS太陽(yáng)電池能夠廣泛使用PI來(lái)制作基板并降低成本，就是研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(wú)鎘、軟性等技術(shù)的「軟性非真空無(wú)鎘CIGS元件」，其應(yīng)用層面便可較以往擴(kuò)增。除了仍可以玻璃為基板，取代傳統(tǒng)硬板的太陽(yáng)電池外，更因?yàn)榫邆淞塑浶缘奶厣?，而在使用?chǎng)所上減少受限;象是可配合建筑外墻的變化平貼設(shè)置，不但不影響建筑的設(shè)計(jì)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(wèn)題，所以對(duì)裝設(shè)太陽(yáng)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(shí)間被遮擋陽(yáng)光也不會(huì)介意，就會(huì)有更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)?！箙亲邛我惨蕴?yáng)能電動(dòng)車為例，經(jīng)過(guò)輕量化、軟性、可連續(xù)生產(chǎn)的CIGS太陽(yáng)電池，可以迎合不同的車型設(shè)計(jì)，不需要各別制作模具來(lái)生產(chǎn)特定尺寸的太陽(yáng)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(wú)鎘CIGS元件」，其實(shí)更是個(gè)良好的「輔助」補(bǔ)充能源，只要透過(guò)微小的部件空間，例如手機(jī)的邊框就可以裝設(shè)充電，藉此延長(zhǎng)電池的續(xù)航力，進(jìn)而降低原有電池與產(chǎn)品的體積。因此若與國(guó)內(nèi)的3C產(chǎn)業(yè)結(jié)合，也會(huì)有相當(dāng)大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，成為***才有的獨(dú)特產(chǎn)品;甚至是帳棚、登山衣等戶外應(yīng)用，都是可以開(kāi)發(fā)的層面。

　　需要合適設(shè)備相輔相成

　　在團(tuán)隊(duì)合作之下，軟性非真空無(wú)鎘CIGS元件，更可發(fā)為良好的「輔助」補(bǔ)充能源。

　　不像其它廠商或研發(fā)機(jī)構(gòu)，只在CIGS太陽(yáng)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(xiàng)技術(shù);「軟性非真空無(wú)鎘CIGS元件」是領(lǐng)先世界將這三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)整合開(kāi)發(fā)，達(dá)到「三位一體」的效果，因此不會(huì)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(shí)，也了解到生產(chǎn)設(shè)備需要哪里些特性與規(guī)格，并布局專利，更接近實(shí)際量產(chǎn)階段。

　　吳宗鑫表示，目前生產(chǎn)CIGS太陽(yáng)電池的廠商，多是由本身的技術(shù)出發(fā)，并設(shè)計(jì)或改良設(shè)備來(lái)配合，有時(shí)也會(huì)利用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，但這在面對(duì)不同技術(shù)間的差異時(shí)，如拼裝車式的設(shè)備并無(wú)法完全一體適用;也就是說(shuō)，針對(duì)自有的完整技術(shù)與原理來(lái)設(shè)計(jì)制造適合的設(shè)備，才能達(dá)到最好的效果。

　　每當(dāng)談到太陽(yáng)能時(shí)，多數(shù)人都關(guān)注在電池部份，但事實(shí)上，生產(chǎn)設(shè)備的輔助更不能少。吳宗鑫認(rèn)為，沒(méi)有適合的制造設(shè)備，是CIGS太陽(yáng)電池需要突破的地方，但也是國(guó)內(nèi)廠商的一大切入時(shí)機(jī)，更有機(jī)會(huì)成為主流、搶占市場(chǎng);尤其這些設(shè)備的重點(diǎn)并不在于精準(zhǔn)度的要求，而是需要標(biāo)準(zhǔn)化及前后設(shè)備之間的串接整合。若有技術(shù)與設(shè)備的密切搭配，以及更多廠商的加入，將可創(chuàng)造樂(lè)觀的產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)前景，以低廉成本創(chuàng)造高普及率，提升***太陽(yáng)光電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)。