铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术与市场分析

1、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池 技術與市場分析1Stability ReliabilityCost%Ink-printingvacuum2/w0.2/w ?兩難發展太陽能電池最重要三關鍵因素不同階段著重的因素各不相同1.研究階段(研究單位或學術單位): 效能的提昇2.初階段產品化:可靠性(目前CIGS Solar Cell保固在35年)3. 量產進入商品化階段:成本(材料成本、製程成本 Roll to Roll and Flexible Coating)2國外主導機構美 NREL 歐 日 NEDO 其他國內主導機構中科院 核能所與第五所工研院太電中心工研院技術發展方向Electro depositio

2、n Nano ink PVD Evaporate多靶電子搶設備成本Sputtering (陳都博士 主導 ) 靶材是關鍵：能做出高均勻性Copper-Indium-Gallium alloy target做的出來嗎？靶材做出來後打出來成分就對嗎？工研院技術發展方向與願景由目前願內計劃提升到爭取國家型計畫:以printing & nano名義申請,實質進行PVD方式長膜建立base line Pilot LineProduction Line生產線Batch type : Static StateRoll to Roll:Dynamic State目前CIGS Solar Cell國內外主要研究

3、機構3不同世代技術需改善之方向目前主要技術發展1 generationZnOCdSCIGSMo2 generation Cost down3 generation High eff4 generation stabilityZnOCdSCIGSMoreliabilityCd free變厚度、成分、製程光學特性投入廠商Aoanics、Miasok投入廠商Honda、Showa、199820042008不同世代效能進步目標2nd generation 30% 理論極限3rd generation 5565% Multi junction太陽能產業各世代投入人才之差異性1st EE、phys 2nd

4、 EE、phys + material 3rd EE、phys + material + chemical Engineer4台灣與歐美日發展太陽能差異性Materials/Process /Facilities 整合發展siemensshell元件 、機械、設備自製Know howPatent歐、美、日台灣具規模廠商?購買 turnkey元件 、機械、設備，非自製生產代工低價大量生產5費用評估技轉費用設備費用廠房設立人員薪資研發材料費6技術支援中科院工研院:太陽光電中心核能所中山大學:曾百亨逢甲大學:駱榮富東華大學:翁明壽7為何要發展CIGS太陽能電池台灣目前發展替代能源主要集中在太陽能、風

5、力發電這兩區塊，而其中又以太陽能產業鏈較為完整，整體創造的營業額也較高。太陽能為清潔環保之能源，且來源不虞匱乏，故太陽能電池之開發極具長期發展潛力。目前台灣以矽基太陽能電池為主，上游的晶圓材料98%仰賴進口，但矽材料價位價高，造成單單矽晶片佔整個模組成本3545之間，但由於台灣並非矽原材料及純化的主要生產國，所以成本完全掌握在國外矽材料供應商大廠MEMC、ESSA（European Solar Silicon Assn.）、Wacker、Hemlock（美國）、JSS（Joint Solar Silicon）、Tokuyama（日本）、REC（日本）、M. Setek（日本），但全球矽材料短缺

6、的問題，卻也是現今台灣與其他世界各國廠商共同面臨的發展瓶頸，除了佔成本結構超過五成的原料缺乏問題有待克服，如何提高其能量轉換效率、降低矽晶圓厚度，亦是技術研發主軸，故如能朝材料成本較低廉以及能大面積生產的薄膜太陽能電池發展，台灣必能在太陽能產業站穩腳步。8國內眾多廠商近一兩年內一窩蜂的進入對於投入技術門檻較低的矽基太陽能電池Cell端，例如：昱晶（LED產業億光轉投資）、聯相（原為晶能半導體廠聯電產業億光轉投資）、新日光能源（力晶轉投資）、茂矽太陽能事業部、旺能（台達電），在些公司中除了投入較早的茂迪及益通充分掌握長期料源的供應合約，且持續擴充產能掌握產業成長趨勢，而那些後進廠商對於料源掌握的

7、把握度低，在料源供應吃緊的狀況下（包括solar wafer 廠商），生存及成長空間實在有限。由於矽材料的成本以及整體經濟效益的考量下並非極佳，為了生產矽晶太陽能電池，可能耗掉更多的能源與地球資源，如去除目前高油價、各國政府的補助之誘因，是否矽晶太陽能電池能依然穩固成長，可能是一大問題，故目前德國、瑞士、日本、美國皆有著名研究機構與公司正在積極發展薄膜太陽能電池，薄膜太陽電池屬第二代太陽電池，具有可撓、易於大面積化、製程簡單且低耗能、低成本等優勢，而轉化效率銅銦鎵二硒太陽光電池（CIGS：Copper Indium Gallium Diselenide Solar Cells）目前在研究單位已

8、能達到1319.4%的效能。9台灣的發展利基整合已具基礎的各研究單位作個帶頭作用，必能進一步整合國內學術界、研究單位、工業界發揮團隊分工最大效能，在全球可撓曲式薄膜太陽能產業佔一席之地。如國內半導體及光電硬體設備製造商能利用工研院及學術單位做可撓曲式CIGS太陽能電池製程技術前期文獻、專利、產業訊息資料的分析，必能減少不必要的錯誤嘗試階段，且能整合相關資源做充足的研發，如此不管台灣在發展Roll to Roll鍍膜設備、撓曲式基材或CIGS太陽能電池產品上，皆能達到設備、製程技術、專利本土化及產業自主的能力，並配合我國在半導體與光電產業的量產經驗，如此必能快速進入世界水準。 10太陽能電池轉化

9、效能11From :NREL Thomas Surek Presentation 12Thin Film CIGS Solar Cells EfficienciesArea (cm2)VOC (V)JSC (mA/cm2)FF (%)Efficiency (%)CommentsCIGSe0.4100.69735.179.5219.5CIGSe/CdS/Cell NREL, 3-stage processCIGSe0.4020.670 35.178.7818.5CIGSe/ZnS (O,OH) NREL, Nakada et al.CIGS0.4090.83020.969.1312.0Cu(In

10、,Ga)S2/CdS Dhere, FSECCIAS0.62136.075.5016.9Cu(In,Al)Se2/CdS IEC, Eg = 1.15 eVCdTe1.030.84525.975.5116.5CTO/ZTO/CdS/CdTe NREL, CSSCdTe0.84024.465.0013.3SnO2/Ga2O3/CdS/CdTe IEC, VTDCdTe0.160.81423.5673.2514.0ZnO/CdS/CdTe/Metal U. of Toledo, sputteredFrom :Rommel Noufi and Ken Zweibel National Renewab

11、le Energy Laboratory, Golden, CO 80401, USA HIGH-EFFICIENCY CDTE AND CIGS THIN-FILM SOLAR CELLS: HIGHLIGHTS AND CHALLENGES* 13Polycrystalline Thin Film PV Modules CompanyDeviceAperture Area (cm2)Efficiency (%)Power (W) DateGlobal SolarCIGS839010.2*88.9*05/05Shell SolarCIGSS737611.7*86.1*10/05Wrth So

12、larCIGS650013.084.606/04First SolarCdTe662310.2*67.5*02/04Shell Solar GmbHCIGSS493813.164.805/03Antec SolarCdTe66337.352.306/04Shell SolarCIGSS362612.8*46.5*03/03Showa ShellCIGS360012.844.1505/031415CIGS Device Structure161718CIGS特性Cu In Se2CIS係屬直接遷移性半導體，尤其吸光係數極大，適用於薄膜電池材料。Cu In Se2的禁止帶幅為1eV，小於最適用於太

13、陽電池的1.4-1.5V，因此與Eg=1.6eV的Cu Ga Se2較高帶幅材料形成Cu(In Ga)Se2則所謂的CIGS混晶材料以改善此一缺點。隨著光電池中銦鎵含量高低，光吸收範圍也會有所不同（約在1.02eV1.68eV之間）19因為CuInSe2的能隙值大約為1eV，低於理想太陽能譜值，以CuInSe2為主的太陽能電池可靠加入Ga，形成Cu(InGa)Se2的主吸收層，增加吸收層的能隙值，進而增進太陽能電池的效能。CuInSe2太陽能電池能獲得較高的開路電壓Voc和較低的閉路電流ISC，允許成長較薄的ZnO以減少光的損失，因較大的能隙值可使介面的品質較好，減少自由載子在ZnO中的電流損

14、失。Ga加入CuInSe2中造成的影響有幾點CuInSe2的能隙值為1.04eV， CuGaSe2的能隙值為1.68eV， Cu(InGa)Se2其能隙值可此公式增加：Eg(x)=(1-x)E g(CIS)+xE g(CGS)-bx(1-x) ，x為Ga的含量、1-x為In的含量，b值的大小在0.150.24eV在同樣化學組成1:1:2的化合物中，Cu(InGa)Se2的電洞濃度較CuInSe2增加很多，在CuInSe2與CuGaSe2中acceptor形成的能量相似，但CuGaSe2 donor形成的能量卻遠大於CuInSe2Cu(InGa)Se2在相圖中1:1:2化合物的穩定相範圍增加，c

15、halcopyrite相變得更穩定隨著Ga量從零增加，開路電壓Voc增加，閉路電流ISC減少，開始時太陽能電池的效率增加，然而當Ga/(In+Ga)的量超過0.3 ，開路電壓Voc並不隨能隙值等比例增加，原件的效率開始下降，且1:1:2的相不再呈現N-type，推斷是因為Ga/(In+Ga)大於0.3 ，薄膜產生應變，而產生缺陷20212223各層功能性Substrate : Glass , Metal foil ,Plastic Sheet當底材支撐鈉玻璃 : 使用鈉玻璃在成長CuInSe2,當基材加溫到400度以上,接近玻璃的軟化點,會促使鈉離子的擴散,影響CuInSe2晶粒成長,增強(1

16、12)方向的結晶性,增進薄膜的品質,增加元件的效率Back Contact :Mo鉬金屬與CuInSe2容易形成歐姆接觸,使得接觸電阻小,減少電流形成後傳輸的耗損鉬具有高的光反射率,使得太陽光能反覆的在CuInSe2主吸收層被吸收CuInSe2成長在鉬薄膜能形成平整的表面,相對於成長在玻璃上,可降低表面粗糙度 Absorber : CIGS有效的吸收大部分的太陽光 p 型CuInSe2 的陽光吸收層（Absorption Layer）2425Buffer Layer : n 型或本質型CdS緩衝層主要目的在改善薄膜表面型態,降低CuInSe2與ZnO間造成的Band-offset,其造成原因為

17、能隙值差異太大,會影響少數載子的傳輸,使轉化效率受影響Windows Layer : ZnO:Al , ITO透光層須具備高的透光率,以及低的電阻值ZnO具有高的透光率,摻雜Al可降低其電阻值,且不影響其透光率鋁金屬電極Al與 ZnO:Al 能產生良好的歐姆接觸,可充分收集吸收光後產生的電流鋅金屬層鋁電極接觸到氧氣產生氧化鋁絕緣層,造成太陽電池產生的電子流,流經鋁電極收集時產生組抗,故在鋁電極上再披覆一層鋅金屬層,使元件串聯時電阻降到最小26Consider ZnO/ZnS mixtures27國內外相關研究單位與產業界投入狀況分析28台灣發展CIGS太陽能電池狀況目前國內已投入及有意投入薄膜

18、太陽能電池的公司：較早投入薄膜太陽電池的光華開發及2006年Spin off 出去的大豐能源2006年通過在竹科進駐申請的鑫笙能源科技公司今年聯電轉投資的聯電集團轉投資晶能,3月改名聯相光電(NexPower ),4月初宣布改投入薄膜太陽能電池市場,計畫今年以20億元引進日本真空(Ulvac )公司技術並設立一條年產能25MW的生產線,Ulvac將向聯電提供薄膜太陽能電池產品的設備和技術支援。但以上公司所發展的薄模太陽能電池或進度與國外研究單位或產業有極大的落差。反觀國內在製程設備、撓曲式基材、CIGS製程研發，尚缺乏一大型計劃在做整合，如此下去會喪失專利的申請機會，屆時又只能落入向歐美日請求

19、製造授權買其設備、材料來做低毛率的代工產業進一步整合國家資源支持研究單位如工研院及各大學，發展CIGS製程技術、奈米技術、真空鍍膜技術、封裝與模組化技術以及量測技術，及協助設備製造商及材料廠商做有系統的發展，而不至於最後台灣廠商只能取得國外專利授權變成只是OEM廠商，此時應刻不容緩。29CIGS Thin Film Solar Cell廠商 亞化 ： 正式宣佈跨入銅銦鎵硒（CIGS）太陽能薄膜研發生產，由CIGS權威楊立中博士共同研發，預計2008年底即可試產，未來將成立一家新公司，資本額超過百億元，由亞化持股超過5成 中山科學研究院材料暨光電研究所：計畫主持人：季法文、林坤豐 博士工研院太電

20、中心：黃瑜博士中山大學材料所：曾百亨 教授中國“十一五”規劃銅、銦、鎵、硒（Cu、In、Ga、Se2）（簡稱CIGS），薄膜太陽能光電池。它以高轉換率（光電轉換率可達16%17%）、低成本（大批量生產成本在56元/W，只有目前單晶硅太陽能電池的1/61/8）、生產效率高，可大規模自動化生產，產品可卷曲，使用方便，適用面廣，并具有優良的抗輻射，抗干擾和廣譜吸收能力等特點便于大規模普及使用和推廣。 30目前投入量產的歐美日企業Nanosolar DayStar / Globalsolar /Heliovolt /Honda soltech 31CIGS Top Research Departmen

21、ts in the worldUSA:NREL 、International Solar Electric Technology 、Daystar 、Nanosolar 、Global solar energy 、Heliovolt 、Miasole 、Magnolia SolarJapan:Showa Shell 、Honda soltech 、Matsushita Germany: Sulfurcell 、Shell Solar 、Wurth Solar 、CIS Solar 、CIS Solartechnik 、ZSWSwiss:ETHSweden:SolibroFrance:DEF-C

22、NRSAustralia :UNSW32CIGS Solar Cell on GlassShell Solar （USA、Germany）Wurth Solar（Germany）Showa Shell（Japan）Sulfurcell（Germany）ISET（USA）Solibro（Sweden）DEF-CNRS（France）CIGS Solar Cell on Flexible FoilGlobal Solar（USA）ISET（USA）Solarion（Germany）CIS Solar（Germany）CIS Solartechnik（Germany）Matsushita（Japan

23、）Nano Solar（USA）Miasole（USA）Magnolia Solar（USA）33日本本田子公司Honda Soltec CIGS Solar Cell34製程技術與設備3536roll-to-roll manufacturing processes 3738製程方法Back Contact layer：Mo on PI（DC Sputtering）Absorberlayer：Cu、In、Ga、Se（Co-Evaporation）：單獨使用熱蒸鍍：銅、銦、鎵、硒混合成一定比例之蒸鍍材濺鍍靶槍+一熱蒸鍍源：銅、銦、鎵個別靶材，硒蒸鍍材單濺鍍靶槍支銅、銦、鎵、硒混合並燒結成濺鍍靶材

24、（須與靶材製造單位合作） CIGS電池的構造一般，分別在基板上累積背面電極層、CIGS吸光層、緩衝層、透明電極及接出電極等所組成。基板係使用鈉玻璃，背面電極則使用噴鍍法(Spatter)的鉬膜，緩衝層則使用ZnO/CdS等。CdS緩衝層則以化學析出法形成，透明電極可使用ZnO：Al或氧化銦、錫(ITO)等，並以噴鍍法或化學氣相推積法(CVD)法所形成。接出電極可使用Al，Ni 等金屬。各積層中CIGS吸光層的品質是影響CIS電池的重要部分 39利用真空長膜優缺點優點：CIGS薄膜太陽電池與矽基太陽電池比較具有可撓、易於大面積化、製程簡單且低耗能、低成本等優勢，而轉化效率目前在研究單位已能達到1

25、319.4%的效能。利用多Source物理氣相濺鍍/蒸鍍易於控制CIGS成膜時之成分比例容易取得CIGS Solar Cell相關資料，對於研究初期具有極大的幫助 缺點：製程較複雜（如能研究發展單Source物理氣相濺鍍/蒸鍍對減少製程步驟與提昇throughtput 有極大的幫助）設備成本較高（因CIGS Solar Cell設備門檻不高故易於設備本土化）此法成長之膜為非晶型態（故需經熱處理成結晶結構）長膜速度較慢（多靶槍同時鍍膜） 40主要使用可撓曲性基材之特性 資料來源：Friedrich Kessler, Dominik Rudmann Solar Energy 77 (2004) 6

26、85695：Technological aspects of flexible CIGS solar cells and modules 41利用物理氣相濺鍍/蒸鍍的主要研究單位 資料來源：Friedrich Kessler, Dominik Rudmann Solar Energy 77 (2004) 685695：Technological aspects of flexible CIGS solar cells and modules 4243444546應 用4748495051發展CIGS太陽能流程52CIGS Solar Cell Process Challenges Understanding of film growth, microstructures, defects, and device physics complex but “tolerant” to processes Recipe for high-efficiency devices: Cu-rich step (lar