關(guān)于太陽能發(fā)電電池的基礎(chǔ)知識 二

【硅薄膜太陽能電池】Thin Film Silicon Solar Cells

　　最早開發(fā)此型光電池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅結(jié)晶層的厚度僅5~50毫米，可以次級硅材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由于電子與電洞傳導(dǎo)距離短，因此硅材料的純度要求，不若硅晶圓型太陽能電池高，材料成本可進(jìn)一步降低。由于硅材料不若其它發(fā)展中光電池半導(dǎo)體材料，具有高的吸光效率，且此型光電池硅層膜，不若硅晶圓型太陽能電池硅層厚度約達(dá)300微米，為提高光吸收率，設(shè)計上需導(dǎo)入光線流滯的概念，此點(diǎn)是與其它薄膜型光電池不同之處。

　　此類型光電池之制備方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、許多型式的化學(xué)蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學(xué)蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學(xué)蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學(xué)蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無一引用至工業(yè)界，雖然如此，一般咸信常壓化學(xué)蒸鍍，應(yīng)具備發(fā)展為量產(chǎn)制程的可能性。上述蒸鍍法，操作溫度區(qū)間在300~1200℃，主要依據(jù)基材材料而定。

　　此型光電池光電效率實驗室最高已達(dá)21﹪，市場上只有Astropower一家產(chǎn)品，當(dāng)基材使用石墨時，效率可達(dá)13.4﹪，由于石墨材料價格昂貴，目前研究工作大底有三個方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高溫基材；三、將單晶硅層半成品轉(zhuǎn)植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功運(yùn)用此方法，成功制備100㎝2，光電效率達(dá)16﹪的組件。整體而言，此類型光電池系統(tǒng)的發(fā)展仍處于觀念可行性驗證時期，實驗室制備技術(shù)是否能發(fā)展成具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的量產(chǎn)程序，是人們關(guān)注的另一重點(diǎn)。

　　【染料敏化太陽能電池】Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC

　　此型光電池可是源自19世紀(jì)，人們照相技術(shù)的理念，但一直到超過100年后的1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel采用奈米結(jié)構(gòu)的電極材料，以及適切的染料，組成光電效率超過7﹪的光電池，此領(lǐng)域的技術(shù)研究開發(fā)，才引起大家積極而熱烈的投入。此項成功結(jié)合奈米結(jié)構(gòu)電極與染料而創(chuàng)造出高效率電子轉(zhuǎn)移接口的技術(shù)，跳脫傳統(tǒng)無材料固態(tài)接口設(shè)計，可說是第三代太陽能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授權(quán)，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

　　此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價電層電子受光激發(fā)，要升至高能階層，進(jìn)而傳導(dǎo)至奈米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I3+溶于有機(jī)溶劑中形成。

　　此型電池的結(jié)構(gòu)一般有兩種，實驗室制備的通常為三明治結(jié)構(gòu)，上下均為玻璃，玻璃內(nèi)源則為TCO。中間有兩部份，包括含有染料的二氧化鈦，以及溶有電解質(zhì)的有機(jī)溶液。為利用已發(fā)展較成熟的其它薄膜光電池制備技術(shù)，Gratzel等，于1996年發(fā)展出三層式的monolithic cell structure，采用碳電極取代一層TCO電極，各層的制備可直接沉積在另一層TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具撓屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可應(yīng)用于此類型電池制備。德國的ISE公司已發(fā)展出包含網(wǎng)印方式的生產(chǎn)流程（如下圖），制程非常簡單。關(guān)于DSSC的制造成本，由于該型電池為新世代產(chǎn)品，目前并無量產(chǎn)市場，因此有不同的評估值，依據(jù)Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光電效率為基礎(chǔ)，其制造成本約US$1.0~1.3/Wp（年產(chǎn)能5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996年的鈷算則為US$2.2/Wp/year（年產(chǎn)能4MWp/year）；相較于技術(shù)開發(fā)較久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）兩類型，成本差距似乎不大。

　　DSSC發(fā)展的最大利基，咸認(rèn)在于其簡單的制程，不需昂貴設(shè)備與高潔凈度的廠房設(shè)施。其次所使用材料二氧化鈦、電解質(zhì)等亦非常便宜。至于鉑金屬觸媒以及染料，相信生產(chǎn)規(guī)模變大時，價格亦會下降。其次就如同其它部分薄膜光電池，因為可以使用具撓屈性基材，因此應(yīng)用范圍可大幅擴(kuò)張，不似目前硅晶圓式，只適用于屋頂?shù)壬贁?shù)場合。

　　未來DSSC如要成為具商業(yè)競爭力，甚至達(dá)到高市占率，仍有幾件事需要證明：一、光電池本身的長期使用性。雖然實驗室以較嚴(yán)苛條件測試，推估使用十年以上沒有問題，但畢竟還是缺乏對商業(yè)產(chǎn)品長期使用的實測數(shù)據(jù)。二、對大面積的制備技術(shù)，有待努力發(fā)展。目前此方面工藝研究投入較少。三、對整體電池模塊細(xì)部的基礎(chǔ)研究，仍有許多工作要做，此方面研究可促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的確立。

　　高能階差半導(dǎo)體，光穩(wěn)定性較高，因此如能以此類物質(zhì)取代二氧化鈦，學(xué)理上應(yīng)較易獲得耐久性DSSC產(chǎn)品，關(guān)于這方面研究，有部分研究單位也積極投入，惟至今仍未獲得良好成果。開發(fā)新式染料以取代目前公認(rèn)最佳的染料，有機(jī)釕金屬（簡稱N3），亦是一項熱門研究主題。有機(jī)染料化學(xué)是發(fā)展很久的一學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因此許多人相信經(jīng)由適切的構(gòu)思與系列實驗，應(yīng)有機(jī)會開發(fā)出吸光能力比N3好的有機(jī)染料，如此除可免除使用貴重的釕金屬外，染料成本也可獲得大幅降低。

　　【結(jié)語】

　　太陽光電池產(chǎn)業(yè)在過去幾年呈現(xiàn)35﹪的年成長率，市場以硅晶圓型光電池為最主要。其中原因除了硅晶圓光電池成本，因硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展之故，大幅下降外，人們對新能源的積極尋求也是原因。此外，量產(chǎn)規(guī)模的逐步建立是價格下降的主要因素。

　　典型的CdTe光電池結(jié)構(gòu)的主體是由約2μm層的P-type CdTe層與后僅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收層主要發(fā)生于CdTe層，西光效率細(xì)數(shù)大于105㎝-1，因此僅數(shù)微米厚及可吸收大于90﹪的光子。CdS層的上沿先接合TCO，再連接基材，CdTe上沿則接合背板，以形成一個光電池架構(gòu)。目前已知為制備高光電效率CdTe光電池，不論電池結(jié)構(gòu)如何，均需要使用氯化鎘活化半導(dǎo)體層，方法上可采濕式或干式蒸氣法。干式法較為工業(yè)界所采用。

　　關(guān)于CdTe光電池的薄膜，目前已有多種可行的工藝可采用，其中不乏具量產(chǎn)可行性的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學(xué)蒸鍍（CVD）、ALE（atomic layer epitaxy）、網(wǎng)�。╯creen-printing）、電流沉積法（galvanic deposition）、化學(xué)噴射法（chemical spraying）、密集堆積升華法（close-packed sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中電流沉積法是最便宜的方法之一，同時也是目前工業(yè)界采用的主要方法。沉積操作時溫度較低，所耗用碲元素也最少。

　　CdTe太陽能電池在具備上述許多有利于競爭的因素下，在2002年其全球市占率僅0.42﹪，2000年時全球交貨量也不及70MW，目前CdTe電池商業(yè)化產(chǎn)品效率已超過10﹪，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點(diǎn)：ㄧ、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的53﹪，其中半導(dǎo)體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運(yùn)藏量有限，其總量勢必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。

　　【硅薄膜太陽能電池】Thin Film Silicon Solar Cells

　　最早開發(fā)此型光電池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅結(jié)晶層的厚度僅5~50毫米，可以次級硅材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由于電子與電洞傳導(dǎo)距離短，因此硅材料的純度要求，不若硅晶圓型太陽能電池高，材料成本可進(jìn)一步降低。由于硅材料不若其它發(fā)展中光電池半導(dǎo)體材料，具有高的吸光效率，且此型光電池硅層膜，不若硅晶圓型太陽能電池硅層厚度約達(dá)300微米，為提高光吸收率，設(shè)計上需導(dǎo)入光線流滯的概念，此點(diǎn)是與其它薄膜型光電池不同之處。

　　此類型光電池之制備方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、許多型式的化學(xué)蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學(xué)蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學(xué)蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學(xué)蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無一引用至工業(yè)界，雖然如此，一般咸信常壓化學(xué)蒸鍍，應(yīng)具備發(fā)展為量產(chǎn)制程的可能性。上述蒸鍍法，操作溫度區(qū)間在300~1200℃，主要依據(jù)基材材料而定。

　　此型光電池光電效率實驗室最高已達(dá)21﹪，市場上只有Astropower一家產(chǎn)品，當(dāng)基材使用石墨時，效率可達(dá)13.4﹪，由于石墨材料價格昂貴，目前研究工作大底有三個方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高溫基材；三、將單晶硅層半成品轉(zhuǎn)植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功運(yùn)用此方法，成功制備100㎝2，光電效率達(dá)16﹪的組件。整體而言，此類型光電池系統(tǒng)的發(fā)展仍處于觀念可行性驗證時期，實驗室制備技術(shù)是否能發(fā)展成具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的量產(chǎn)程序，是人們關(guān)注的另一重點(diǎn)。

　　【染料敏化太陽能電池】Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC

　　此型光電池可是源自19世紀(jì)，人們照相技術(shù)的理念，但一直到超過100年后的1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel采用奈米結(jié)構(gòu)的電極材料，以及適切的染料，組成光電效率超過7﹪的光電池，此領(lǐng)域的技術(shù)研究開發(fā)，才引起大家積極而熱烈的投入。此項成功結(jié)合奈米結(jié)構(gòu)電極與染料而創(chuàng)造出高效率電子轉(zhuǎn)移接口的技術(shù)，跳脫傳統(tǒng)無材料固態(tài)接口設(shè)計，可說是第三代太陽能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授權(quán)，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

　　此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價電層電子受光激發(fā)，要升至高能階層，進(jìn)而傳導(dǎo)至奈米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I3+溶于有機(jī)溶劑中形成。

　　此型電池的結(jié)構(gòu)一般有兩種，實驗室制備的通常為三明治結(jié)構(gòu)，上下均為玻璃，玻璃內(nèi)源則為TCO。中間有兩部份，包括含有染料的二氧化鈦，以及溶有電解質(zhì)的有機(jī)溶液。為利用已發(fā)展較成熟的其它薄膜光電池制備技術(shù)，Gratzel等，于1996年發(fā)展出三層式的monolithic cell structure，采用碳電極取代一層TCO電極，各層的制備可直接沉積在另一層TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具撓屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可應(yīng)用于此類型電池制備。德國的ISE公司已發(fā)展出包含網(wǎng)印方式的生產(chǎn)流程（如下圖），制程非常簡單。關(guān)于DSSC的制造成本，由于該型電池為新世代產(chǎn)品，目前并無量產(chǎn)市場，因此有不同的評估值，依據(jù)Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光電效率為基礎(chǔ)，其制造成本約US$1.0~1.3/Wp（年產(chǎn)能5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996年的鈷算則為US$2.2/Wp/year（年產(chǎn)能4MWp/year）；相較于技術(shù)開發(fā)較久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）兩類型，成本差距似乎不大。

　　DSSC發(fā)展的最大利基，咸認(rèn)在于其簡單的制程，不需昂貴設(shè)備與高潔凈度的廠房設(shè)施。其次所使用材料二氧化鈦、電解質(zhì)等亦非常便宜。至于鉑金屬觸媒以及染料，相信生產(chǎn)規(guī)模變大時，價格亦會下降。其次就如同其它部分薄膜光電池，因為可以使用具撓屈性基材，因此應(yīng)用范圍可大幅擴(kuò)張，不似目前硅晶圓式，只適用于屋頂?shù)壬贁?shù)場合。

　　未來DSSC如要成為具商業(yè)競爭力，甚至達(dá)到高市占率，仍有幾件事需要證明：一、光電池本身的長期使用性。雖然實驗室以較嚴(yán)苛條件測試，推估使用十年以上沒有問題，但畢竟還是缺乏對商業(yè)產(chǎn)品長期使用的實測數(shù)據(jù)。二、對大面積的制備技術(shù)，有待努力發(fā)展。目前此方面工藝研究投入較少。三、對整體電池模塊細(xì)部的基礎(chǔ)研究，仍有許多工作要做，此方面研究可促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的確立。

　　高能階差半導(dǎo)體，光穩(wěn)定性較高，因此如能以此類物質(zhì)取代二氧化鈦，學(xué)理上應(yīng)較易獲得耐久性DSSC產(chǎn)品，關(guān)于這方面研究，有部分研究單位也積極投入，惟至今仍未獲得良好成果。開發(fā)新式染料以取代目前公認(rèn)最佳的染料，有機(jī)釕金屬（簡稱N3），亦是一項熱門研究主題。有機(jī)染料化學(xué)是發(fā)展很久的一學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因此許多人相信經(jīng)由適切的構(gòu)思與系列實驗，應(yīng)有機(jī)會開發(fā)出吸光能力比N3好的有機(jī)染料，如此除可免除使用貴重的釕金屬外，染料成本也可獲得大幅降低。

　　【結(jié)語】

　　太陽光電池產(chǎn)業(yè)在過去幾年呈現(xiàn)35﹪的年成長率，市場以硅晶圓型光電池為最主要。其中原因除了硅晶圓光電池成本，因硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展之故，大幅下降外，人們對新能源的積極尋求也是原因。此外，量產(chǎn)規(guī)模的逐步建立是價格下降的主要因素。
環(huán)視未來，硅晶圓太陽光電池是否仍能持續(xù)長期主導(dǎo)市場？由薄膜電池的進(jìn)展來看，答案可能是否定的。因為薄膜式電池技術(shù)進(jìn)展很快，雖然發(fā)展出使用不同的復(fù)合半導(dǎo)材料，但彼此技術(shù)有可互相借鏡之處。就降低成本而言，還有很多空間。反觀目前硅晶圓式光電池，技術(shù)發(fā)展已臻成熟，其主要成本來自于硅晶圓材料，能進(jìn)一步壓縮成本的空間相當(dāng)有限。此外，薄膜式光電池一般而言，其制造時所耗能源的回償時間，通常不及傳統(tǒng)硅晶圓式的一半（亦即小于十年），部分甚至小于五年，如非晶相硅薄膜光電池與染料敏化太陽能電池。加上薄膜式光電池所使用材料較少，故整體而言薄膜式光電池是較為環(huán)保且具能源效率的產(chǎn)品。

　　幾種發(fā)展中薄膜光電池，或許受到使用毒性物質(zhì)影響，有其發(fā)展限制；或者部份因使用天然儲量有限元素，預(yù)期可能無法全面長期應(yīng)用于提供人類能源之用，但其累積技術(shù)、經(jīng)驗卻彌足可貴，一但新觀念或材料產(chǎn)生，即可以發(fā)揮立即功效。這也是為何硅薄膜式或染料敏化式深受重視。兩者均可應(yīng)用發(fā)展多年的薄膜制備技術(shù)，而前者另外引用人們對硅多年累積經(jīng)驗，后者可藉人們對有機(jī)染料以建立的充沛知識。也因此，雖然兩者都是薄膜式光電池發(fā)展起步較晚的技術(shù)，但可能也是最具產(chǎn)生全面影響潛力的技術(shù)。