软性非真空无镉CIGS元件 推展太阳光电的崭新能量

　　既环保又低成本的软性非真空无镉CIGS元件技术获得本年度工研院杰出研究奖银牌奖。

　　近来受到欧美景气低迷，加上中国对其太阳光电产业的扶植效应，造成许多国际太阳能厂商相继破产关厂，或是关闭部份生产线，引起产业不小的震撼。不久前，在工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)所举办的「太阳光电产业拨云见日之道」研讨会中，产业分析师杨翔如也指出，全球太阳光电市场正面临欧美债信危机、政府补助紧缩和小型系统当道等三大课题，亦透露出现今太阳光电产业的转型挑战。

　　透过太阳光转换为电能，提供各式电器产品的电力来源，不只是再生能源应用中的要角，也是解决能源议题的一块重要拼图。但过去为了推广太阳光电，各国多是采取补助及收购的措施，以扩大太阳光电的规模，显见太阳光电设备的成本及价格仍旧过高;因此面对政府支持趋缓、企业自顾不暇的现象，太阳光电产业必须克服「成本」问题就更加刻不容缓。

　　「市电同价」是普及关键

　　根据美国国家再生能源研究所(NaTIonal Renewable Energy Laboratory，NREL)研究指出，目前每生产一瓦(W)电力的平均成本约为0.5美元，但以晶矽(Silicon)或非晶矽(a-Si)太阳能电池生产电力，却高达1美元左右，碲化镉(Cadmium Telluride，CdTe)太阳电池也要0.64美元;最接近的则是铜铟镓硒(Copper Indium Gallium diSelenide，CIGS)太阳电池，约仅0.54美元。

　　以目前的产业及社会趋势，工研院绿能与环境研究所专案经理吴宗鑫表示，「市电同价」(Grid Parity)是太阳光电能否普及的关键，也就是必须要能以当前相同的花费来换取电力，才能让民众更容易接受并使用太阳光电;显见CIGS太阳能电池是最有可能达到市电同价的太阳能电池，甚至经过转换效率提升及成本下降后，还有机会可以达到每瓦电力成本低于0.4美元。

　　针对CIGS太阳电池的技术开发，工研院团队同样是从「成本」的概念着手;如果能透过技术的提升，使整体生产成本降低，不只有利于推广太阳光电，同时厂商也会更愿意投入。此外，在转换效率上，CIGS太阳电池在实验数据中已可达20%，高于以矽晶圆或碲化镉为材料的太阳能电池，因此更能在成本与转换效率的加乘下创造更高的效益。

　　进一步解释，除了实际的生产制造成本外，环境成本也是团队所考量的重点，因为要真正做到「绿色」能源，并非只是不使用石油或核能等原料，而是要能实现对环境友善，因此才逐渐发展出「软性非真空无镉CIGS元件」技术;其中即分别针对吸收层、缓冲层、模块等部份，开发「非真空」、「无镉」与「软性」等CIGS太阳电池技术。

　　非真空制程纾解成本负担

　　CIGS铜铟镓硒太阳电池自问世至今，已有约三十年的时间;最早是由美国NASA所研发，并用于外太空的环境中。相较于一般所见的矽晶圆太阳能板，CIGS太阳电池对于环境的耐受度更高，包括高低温度的变化以及幅射线等，基本上都不会对电池本身造成破坏，使用寿命也可达到近二十年左右;因此目前送上太空的卫星，几乎都是采用CIGS太阳电池。

　　时至今日，在强调转换效率、应用层面等目的之下，许多国内外厂商都投入CIGS太阳电池的研发，但所着重的制程技术却各有轻重巧妙。以相当于CIGS太阳电池元件心脏的吸收层，其制程向来是以真空技术为主，如目前德国Wurth Solar和Solarrian使用的共蒸镀技术，以及日本Solar FronTIer的溅镀硒化技术等，都是属于真空技术;尤其对于半导体厂商来说，对于溅镀技术原本就不陌生，可快速转换投入生产。

　　但真空技术所需要的生产设备与环境，要求上也较为严苛，成本自然就会提高不少;若改采非真空制程技术，不仅能大幅降低成本，并且结合印刷方式生产，更能达到大面积、连续性的量产。以美国ISET与Nanosolar等公司，就是采用非真空吸收层制程技术。

　　工研院团队也希望能藉由非真空技术的开发，达到减低成本的目的。不过表示，从真空制程转为非真空制程，并不如想象中容易;虽然产业对于真空制程技术的了解已很透彻，但以材料的相变化为例，在非真空制程中就会产生不一样的情况，如果只是直接套用真空制程下的配方及模式，反而会使得电池的转换效率降低。

　　经过多次瓶颈后，研发团队决定将原有的真空技术舍弃，重新针对材料特性与非真空环境研发吸收层的技术，以达到更完美的晶体型态。同时在涂布技术上，各家厂商采用的印刷方法也各有不同，例如刮刀、喷洒、旋转涂布等;吴宗鑫指出，CIGS薄膜太阳能电池对涂布的均匀性要求相当高，影响著转换效率的表现，但在实验室中通常只能使用刮刀式的印刷，产品面积也较小，若能结合产业较佳的印刷生产设备，亦可提高涂布时的均匀质量。

　　以目前的研发成果，在非真空的吸收层制程下，CIGS太阳电池的转换效率已可达到11.5%。表示，估计当转换效率提升至13%时，就能实现市电同价的目标，但「就算达不到13%的转换效率，透过整体生产成本的降低，仍然可以做到市电同价」;可是如果采用的是真空制程技术，在相同的转换效率下，就会因成本过高而无法达到市电同价。

　　无镉缓冲层减低污染问题