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2008.01.1概述


薄膜太陽能電池,顧名思義,乃是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應的薄膜,厚度僅需數μm,因此在同一受光面積之下可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量。薄膜太陽能電池並非是新概念的產品,實際上人造衛星就早已經普遍採用砷化鎵(GaAs)所製造的高轉換效率薄膜太陽能電池板(以單晶矽作為基板,轉換效能在30%以上)。

不過,一方面因為製造成本相當高昂,另一方面除了太空等特殊領域之外,應用市場並不多,因此直到近幾年因為太陽能發電市場快速興起後,發現矽晶圓太陽電池在材料成本上的侷限性,才再度成為產業研發中的顯學。目標則是發展出材料成本低廉,又有利於大量生產的薄膜型太陽能電池。目前已經開發出多種薄膜太陽能電池技術,以下將目前已經商業化,或是已經有具體產品出現的薄膜太陽能電池做一簡單介紹。

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非晶矽

非晶矽(Amorphus Silicon, a-Si):在1980年代,非晶矽是唯一商業化的薄膜型太陽能電池材料。非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強,而且利用濺鍍或是化學氣相沉積方式在玻璃或金屬基板上生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉,材料成本相對於其他化合物半導體材料也便宜釵h;不過缺點則有轉換效率低(約5~7%),以及會產生嚴重的光劣化現象(就是在受到UV照射後會使得轉換效率大幅降低)的問題,因此無法打入太陽能發電市場,而多應用於小必v的消費性電子產品市場。

不過在新一代的非晶矽多接面太陽能電池(Multijuction Cell)已經能夠大幅改善純非晶矽太陽電池的缺點,轉換效率可提升到6~8%,使用壽命也獲得提昇。由於發展歷史相當長,目前市場上絕大多數的薄膜太陽能電池都是用非晶矽作為主要材料,而未來在具有成本低廉的優勢之下,仍將是未來薄膜太陽能電池的主流之一。

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微晶矽

微晶矽(Nanocrystalline Silicon,nc-Si,也被稱為Microcrystalline Silicon,mc-Si)微晶矽其實是非晶矽的改良材料,其結構介於非晶矽和晶體矽之間,主要是在非晶體結構中具有微小的晶體粒子,因此同時具有非晶矽容易薄膜化,製程便宜的特性,以及晶體矽吸收光譜廣,且不易出現光劣化效應的優點,轉換效率也較高。目前已有將a-Si和nc-Si疊層後製成的薄膜太陽能電池商品(由日本Sanyo研發成�),可鍍膜在一般窗戶玻璃上,透光的同時仍可發電,因此業界廣泛看好將是未來非晶矽材料薄膜太陽電池的的發展主流

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CIS/CIGS

CIS/CIGS(銅銦硒化物)都屬於化合物半導體。這兩種材料的吸光(光譜)範圍很廣,而且穩定性也相當好。轉換效率方面,若是利用聚光裝置的輔助,目前轉換效率已經可達30%,標準環境測試下最高也已經可達到19.5%,足以媲美單晶矽太陽電池的最佳轉換效率。在大面積製程上,採用軟性塑膠基板的最佳轉換效率也已經達到14.1%。由於穩定性和轉換效率都已經相當優異,因此被視為是未來最有發展潛力的薄膜太陽能電池種類之一。目前主要的CIS薄膜太陽電池生產技術是採用濺鍍法,成本較高,但是6月底時,美國矽谷的Nanosolar公司宣佈已研發成孕H金屬箔為基板,以印刷(就像印報紙)的方式生產CIGS薄膜太陽能電池的技術,可大幅降低生產成本。

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CdTe

CdTe(碲化鎘):CdTe同樣屬於化合物半導體,電池轉換效率也不差:若使用耐高溫(~600度C)的硼玻璃作為基板轉換效率可達16%,而使用不耐高溫但是成本較低的鈉玻璃做基板也可達到12%的轉換效率,轉換效率遠優於非晶矽材料。此外,CdTe是二元化合物,在薄膜製程上遠較CIS或CIGS容易控制,再加上可應用多種快速成膜技術(如蒸鍍法),模組化生產容易,因此容易應用於大面積建材,目前已經有商業化產品在市場行銷,轉換效率約11%。不過,雖然CdTe技術有以上優點,但是因為鎘已經是各國管制的高污染性重金屬,因此此種材料技術未來發展前景仍有陰影存在。
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GaAs Multijuction

GaAs Multijuction(多接面砷化鎵):在單晶矽基板上以化學氣相沉積法成長GaAs薄膜所製成的薄膜太陽能電池,因為具有30%以上的高轉換效率,很早就被應用於人造衛星的太陽能電池板。新一代的GaAs多接面(將多層不同材料疊層)太陽能電池,如GaAs、Ge和GaInP2三接面電池,可吸收光譜範圍極廣,轉換效率目前已可高達39%,是轉換效率最高的太陽能電池種類,而且性質穩定,壽命也相當長。不過此種太陽能電池的價格也極為昂貴,平均每瓦價格可高出多晶矽太陽能電池百倍以上,因此除了太空等特殊用途之外,預期並不會成為商業生產的主流。
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色素敏化染料

色素敏化染料(Dye-Sensitized Solar Cell):色素敏化感染料電池是太陽能電池中相當新穎的技術,產品是由透明導電基板、二氧化鈦(TiO2)奈米微粒薄膜、染料(光敏化劑)、電解質和ITO電極所組成。此種太陽能電池的優點在於二氧化鈦和染料的材料成本都相對便宜,又可以利用印刷的方法大量製造,基板材料也可更多元化。

不過目前主要缺點一是在於轉換效率仍然相當低(平均約在7~8%,實驗室產品可達10%),且在UV照射和高熱下會出現嚴重的光劣化現象,二是在於封裝過程較為困難(主要是因為其中的電解質的影響),因此目前仍然是以實驗室產品為主。然而,基於其低廉成本以及廣泛應用層面的吸引力,多家實驗機構仍然在積極進行技術的突破。

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有機導電高分子

有機導電高分子(Organic/polymer solar cells):有機導電高分子太陽能電池是直接利用有機高分子半導體薄膜(通常厚度約為100nm)作為感光和發電材料。此種技術共有兩大優點,一在於薄膜製程容易(可用噴墨、浸泡塗佈等方式),而且可利用化學合成技術改變分子結構,以提昇效率,另一優點是採用軟性塑膠作為基板材料,因此質輕,且具有高度的可撓性。

目前市面上已經有多家公司推出產品,應用在可攜式電子產品如NB、PDA的戶外充電上面,市場領導者則是美國Konarka公司。不過,由於轉換效率過低(約4~5%)的最大缺點,因此此種太陽能電池的未來發展市場應該是結合電子產品的整合性應用,而非大規模的太陽能發電。

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