軟性非真空無鎘CIGS元件 推展太陽光電的嶄新能量

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( 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()或非晶矽(a-Si)太陽能生產(chǎn)電力，卻高達(dá)1美元左右，碲化鎘(Cadmium Telluride，CdTe)太陽也要0.64美元;最接近的則是銅銦鎵硒( Indium Gallium diSelenide，CIGS)太陽，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)」( 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 和rian使用的共蒸鍍技術(shù)，以及日本 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)。

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%。

　　CIGS太陽電池的另一項(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)藏量及超過九成五的出產(chǎn)量皆來自中國，加上近年中國對于稀土出口的限制緊縮，促使價(jià)格上漲;象是過去三年以來，鎵的價(jià)格就翻漲了一倍。

　　不過也分析，就CIGS太陽電池的體積，其中使用到稀土元素的CIGS層，厚度僅僅只有2 &;m(Micrometer，微米)，與一般東方人頭發(fā)直徑10 &;m相較，也就是只有五分之一的頭發(fā)厚度;換句話說，稀土原料的成本雖不容易下降，但在CIGS太陽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來說更為重要。

　　另一項(xiàng)值得關(guān)切的原料，研發(fā)團(tuán)隊(duì)則是希望能夠太陽電池緩沖層中所使用的硫化鎘(CdS)。過去在臺灣及日本等地，都發(fā)生過鎘污染事件，對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、健康都造成傷害;鎘化物在太陽電池正常運(yùn)作時(shí)雖不至于產(chǎn)生問題，但在德國也曾發(fā)生過因農(nóng)場火災(zāi)，使得太陽能系統(tǒng)損毀并導(dǎo)致污染的疑慮。

　　傳統(tǒng)CIGS太陽能電池上層的半導(dǎo)體中，為避免氧化鋅(ZnO)破壞CIGS層的表面，會鍍上硫化鎘做為緩沖層來保護(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廠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)換效率也會跟著低落。

　　基于對環(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)同樣從配方源頭開始不斷修正，并針對不同制程的特性開發(fā)無鎘緩沖層技術(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?，對生產(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

　　工研院研發(fā)的無鎘緩沖層技術(shù)，讓廠商不論采用真空或非真空制程，都有無鎘的緩沖層技術(shù)得以搭配。

　　很多人都看過架設(shè)在建筑頂部的太陽能板，在歐洲及中國等地，還有不少「Solar 」(太陽能電場)的建設(shè)，以大量獲取太陽光能轉(zhuǎn)換的電力;然而，這些太陽光電系統(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」薄膜太陽能電池的優(yōu)勢。

　　以歐洲為例，所見到的太陽能板規(guī)格，皆為60公分乘以120公分，就是經(jīng)過計(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;這對于太陽光電的應(yīng)用推廣，就不免產(chǎn)生了限制。甚至在國內(nèi)，一般屋頂上的太陽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;顯見改為軟性薄膜型式的太陽能電池，不只能提高應(yīng)用范圍，并可改善廠商的利潤。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，不會有金屬高溫?cái)U(kuò)散問題，且相同面積下成本僅約玻璃的十分之一，國內(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)境成本的問題時(shí)，制造簡單、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太陽電池能夠廣泛使用PI來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、無鎘、軟性等技術(shù)的「軟性非真空無鎘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)硬板的太陽電池外，更因?yàn)榫邆淞塑浶缘奶厣?，而在使用場所上減少受限;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)電量減少的問題，所以對裝設(shè)太陽能板興趣缺缺，主因還是在于成本太高;如果成本能夠便宜到即使短時(shí)間被遮擋陽光也不會介意，就會有更多的應(yīng)用機(jī)會?！箙亲邛我惨蕴柲茈妱榆嚍槔?jīng)過輕量化、軟性、可連續(xù)生產(chǎn)的CIGS太陽電池，可以迎合不同的車型設(shè)計(jì)，不需要各別制作模具來生產(chǎn)特定尺寸的太陽能板，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。因此若與國內(nèi)的3C產(chǎn)業(yè)結(jié)合，也會有相當(dāng)大的市場優(yōu)勢，成為臺灣才有的獨(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);「軟性非真空無鎘CIGS元件」是領(lǐng)先世界將這三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)整合開發(fā)，達(dá)到「三位一體」的效果，因此不會產(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)備來配合，有時(shí)也會利用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，但這在面對不同技術(shù)間的差異時(shí)，如拼裝車式的設(shè)備并無法完全一體適用;也就是說，針對自有的完整技術(shù)與原理來設(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，沒有適合的制造設(shè)備，是CIGS太陽電池需要突破的地方，但也是國內(nèi)廠商的一大切入時(shí)機(jī)，更有機(jī)會成為主流、搶占市場;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)造樂觀的產(chǎn)業(yè)與市場前景，以低廉成本創(chuàng)造高普及率，提升臺灣太陽光電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。