薄膜太阳能电池(thin film solar cell)

Dye-Sensitized Solar Cell
数据源：BP 2002、World Nuclear Association
微晶硅(nc-Si，uc-Si)
微晶硅其实是非晶硅的改良材料，其结构介于非晶硅和晶 体硅之间，主要是在非晶体结构中具有微小的晶体粒子， 因此同时具有非晶硅容易薄膜化，制程便宜的特性，以及 晶体硅吸收光谱广，且不易出现光劣化效应的优点，转换 效率也较高。目前已有将a-Si和nc-Si迭层后制成的薄膜太 阳能电池商品(由日本Sanyo研发成功)，可镀膜在一般窗户 玻璃上，透光的同时仍可发电，因此业界广泛看好将是未 來非晶硅材料薄膜太阳电池的的发展主流。
High absorption
“Light trapping” arrangement with rough interfaces and dielectric mirrors
Need of raw material
Thin-film solar cells
非晶硅薄膜太阳电池制造流程
非晶硅薄膜太阳电池制造流程 (玻璃基材)

太阳能电池市场现况
太阳能电池效率演进
非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si)
是发展最完整的薄膜式太阳能电池。其结构通常为p-i-n（或 n-i-p）偶及型式，p层跟n层主要座为建立内部电场，I层则由 非晶系硅构成。非晶硅的优点在于对于可见光谱的吸光能力很 强，而且利用溅镀或是化学气相沉积方式生成薄膜的生产方式 成熟且成本低廉，材料成本相对于其他化合物半导体材料也便 宜许多；不过缺点则有转换效率低(约5~7%)，以及会产生严重 的光劣化现象的问题，因此无法打入太阳能发电市场，而多应 用于小功率的消费性电子产品市场。不过在新一代的非晶硅多 接面太阳能电池(MultijuctionCell)已经能够大幅改善纯非晶 硅太阳电池的缺点，转换效率可提升到6~8%，使用寿命也获得 提升。未來在具有成本低廉的优势之下，仍将是未來薄膜太阳 能电池的主流之一。
薄膜太阳能电池– CIGS薄膜电池
Chalcopyrite半导体的性质
CIGS太阳能电池组件结构演进
CIGS太阳能电池组件制作流程
CIGS薄膜太阳电池制造方法
CIGS太阳能电池-真空制程
真空涂布制程- Co-evaporation
真空涂布制程- Sputtering
CIGS太阳能电池-非真空制程
CIS/CIGS(铜铟硒化物)
CIS(CopperIndiumDiselenide)或是 CIGS(CopperIndiumGalliumDiselenide)都属于化合物半导体。 这两种材料的吸光(光谱)范围很广，而且稳定性也相当好。转 换效率方面，若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可 达30%，标准环境测试下最高也已经可达到19.5%，足以媲美单 晶硅太阳电池的最佳转换效率。在大面积制程上，采用软性塑 料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。由于稳定性和转换效 率都已经相当优异，因此被视为是未來最有发展潜力的薄膜太 阳能电池种类之一。
非晶硅薄膜太阳电池构造
Thin film Si:H advantages
Abundantly available raw materials
Low Si and energy consumption Flexible, Roll-to-Roll Large area, low temperature (< 250 º fabrication C) Tuneable band gap
有机导电高分子(Organic/polymer solar cells)
有机导电高分子太阳能电池是直接利用有机高分子半导体 薄膜(通常厚度约为100nm)作为感光和发电材料。此种技术 共有两大优点，一在于薄膜制程容易(可用喷墨、浸泡涂布 等方式)，而且可利用化学合成技术改变分子结构，以提升 效率，另一优点是采用软性塑料作为基板材料，因此质轻， 且具有高度的可挠性。目前市面上已经有多家公司推出产 品，应用在可携式电子产品如NB、PDA的户外充电上面，市 场领导者则是美国Konarka公司。不过，由于转换效率过低 (约4~5%)的最大缺点，因此此种太阳能电池的未來发展市 场应该是结合电子产品的整合性应用，而非大规模的太阳 能发电。
染料敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell)
染料敏化感染料电池是太阳能电池中相当新颖的技术，产 品是由透明导电基板、二氧化钛(TiO2)奈米微粒薄膜、染 料(光敏化剂)、电解质和ITO电极所组成。此种太阳能电池 的优点在于二氧化钛和染料的材料成本都相对便宜，又可 以利用印刷的方法大量制造，基板材料也可更多元化。不 过目前主要缺点一是在于转换效率仍然相当低(平均约在 7~8%，实验室产品可达10%)，且在UV照射和高热下会出现 严重的光劣化现象，二是在于封装过程较为困难(主要是因 为其中的电解质的影响)，因此目前仍然是以实验室产品为 主。然而，基于其低廉成本以及广泛应用层面的吸引力， 多家实验机构仍然在积极进行技术的突破。
CdTe(碲化镉)
CdTe同样属于化合物半导体，电池转换效率也不差：若使用耐 高温(~600度C)的硼玻璃作为基板转换效率可达16%，而使用不 耐高温但是成本较低的钠玻璃做基板也可达到12%的转换效率， 转换效率远优于非晶硅材料。此外，CdTe是二元化合物，在薄 膜制程上远较CIS或CIGS容易控制，再加上可应用多种快速成膜 技术(如蒸镀法)，模块化生产容易，因此容易应用于大面积建 材，目前已经有商业化产品在市场营销，转换效率约11%。不过， 虽然CdTe技术有以上优点，但是因为镉已经是各国管制的高污 染性重金属，因此此种材料技术未來发展前景仍有阴影存在。
非晶硅薄膜太阳电池制造流程 (玻璃基材)
Thin film Si:H challenges
Increasing deposition rate (from 0.1 nm/s to 10 nm/s!), including compatible doped layers Enhance the Isc (absorption, light trapping) Improving stabilized device performance Understanding fundamental physics: low Voc, shunt behavior, light-induced defect creation
第八章 薄膜太阳能电池
授课教师：黄俊杰
薄膜太阳能电池的种类
非晶硅(Amorphus Silicon, a-Si) 微晶硅(Nanocrystalline Silicon，nc-Si，or Microcrystalline Silicon，uc-Si)
CIS/CIGS(铜铟硒化物)
CdTe(碲化镉) GaAs Multijuction(多接面砷化镓) 色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell) 有机导电高分子(Organic/polymer solar cells)
Katzenbach Juwi Memmingen SAG
C-Si Technology in Historic Perspective
全球PV前十大厂商
台湾太阳光电产业链分布概况
太阳光电产值预期达成规模
光电高分子太阳能电池
特征
发展不久 原理:利用不同氧化还原型聚合物的不同氧 化还原位势,在导电材料(电极)表面进行多层 复合,外层聚合物的还原电为较高,电子转移 方向只能由内层向外层转移;另一电极正好 相反
非晶硅薄膜太阳电池“Amorphous Si:H Thin-film Solar Cell”UniSolar and
薄膜太阳能电池– CIGS薄膜电池
此類型有兩种：一种含铜铟硒三元素（简称CISe），一种含铜 铟镓硒四元素（简称CIGS）。由于其高光电效率及低材料成本， 被许多人看好。在实验室完成的CIGS光电池，光电效率最高可 达约19.88，就模块而言，最高亦可达约13﹪(CISe约10%)。 CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02ev至1.68ev， 此项特征可加以利用于多层堆栈模块，已近一步提升电池组织 效能。此外由于高吸光效率（α>104~105㎝-1），所需光电材 料厚度不需超过1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般 粗估量产制造时，所需半导体原物料可能仅只US$0.03/W。
瓶颈
CIGS薄膜太阳能电池虽具有高效率、低成本、大面积与可挠性等 潜力优势，但还有许多需要克服的问题接踵而來： 制程复杂、技术选择百家争鸣，且供应練相当分歧，各站并无制 式化设备放大制程之均质性不佳，良率变化大 • dopant ratio • thin window layer • Low Voc resulting in increased area loss 系统化的研究与实验數据十分缺乏许多关键点都无定論，如：组 成成分、结构、晶界、各层间之接口…等 关键原料的缺乏 铟元素也是一项潜在隐忧，铟的天然蕴藏量相当 有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人類如全面使用 CIGS光电池发电供应能源，可能只有數年光景可，铟的天然蕴藏 量相当有限，国外曾计算，如以效率10﹪的电池计算，人類如全 面使用CIGS光电池发电供应能源，可能只有數年光景
非真空涂布制程- electrodeposition
非真空涂布制程-Metal Oxide Ink
CIS薄膜太阳电池“Copper Indium Diselenide Thin-film Solar Cell ”
245-kW rooftop, thin-film CIS-based solar electric array, 85-kW thin-film CIS-based BIPV facade, North Wales, UK Camarillo, California (Shell Solar Industries.)
GaAs Multijuction(多接面砷化镓)
在单晶硅基板上以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜 太阳能电池，因为具有30%以上的高转换效率，很早就被应用 于人造卫星的太阳能电池板。新一代的GaAs多接面(将多层不 同材料迭层)太阳能电池，如GaAs、Ge和GaInP2三接面电池， 可吸收光谱范围极广，转换效率目前已可高达39%，是转换效 率最高的太阳能电池种类，而且性质稳定，寿命也相当长。不 过此种太阳能电池的价格也极为昂贵，平均每瓦价格可高出多 晶硅太阳能电池百倍以上，因此除了太空等特殊用途之外，预 期并不会成为商业生产的主流。
结论
•各類型太阳能电池的市场需求将与日遽增，且各技术皆以降 低成本和提高光电转换效率为研究方向。其中又以薄膜太阳能 电池为现阶段最具有取代硅晶太阳能电池的可能。
•薄膜太阳电池中，CIGS是目前具有最高效率的电池之一。 •现阶段CIGS电池主要量产技术仍以真空制程技术为主，但难 以克服大面积及降低成本的问题。 • CIGS非真空制程技术虽具有降低成本以及提高材料使用率的 优点，但各方式都具有难以克服的关键问题皆仍待解决。如 CIGS晶粒成长„等。结
地热
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
RooftopCdTe薄膜太阳电池“Cadmium TellurideThin-film Solar Cell”
SAGFirst Solar ----CdTe Rooftop
奈米晶色素增感solar cell
DSSC进展
Why organic solar cell?
Ease of fabrication for large area from solution Transparent Conformal and flexible Low cost of manufacturing