Chapter 8 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 Chapter 8 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 8-1 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的發展及其 演進 8-2 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構 及其特性 8-3 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術
內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要是： 銅銦硒 (CIS) 或銅銦鎵硒 (CIGS) 系列太陽能電池的發展及其演進 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 230 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要是： 銅銦硒 (CIS) 或銅銦鎵硒 (CIGS) 系列太陽能電池的發展及其演進 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構及其特性 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術
8-1 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的發展及其演進 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 230 8-1 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的發展及其演進 黃銅礦基 (Chalcoprite-Based) 太陽能電池的研究，開始於1970年初期. Wagner博士首先地使用CIS單晶材料，並於其表面沉積n型硫化鎘 (n-CdS)，而製作出單晶型銅銦硒化合物的太陽能電池 (CIS-Based Solar Cell)，其光電轉換效率是12.0%；爾後，Kazmerski博士使用蒸鍍法，製作出薄膜型銅銦硒 (CuInSe2，CIS) 太陽能電池，而光電轉換效率大約是9.4%。
8-2 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結 構及其特性 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 232 8-2 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結 構及其特性 圖8-1 一般代表性黃銅礦以及閃鋅礦的基本結晶結構
黃銅礦的晶體結構是一種類似於閃鋅礦 (Sphalerite) 結構的礦物，其代表性的結晶構造，如圖8-1(b) 所示 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 232 黃銅礦的晶體結構是一種類似於閃鋅礦 (Sphalerite) 結構的礦物，其代表性的結晶構造，如圖8-1(b) 所示 圖8-1 一般代表性黃銅礦以及閃鋅礦的基本結晶結構
8-2-1 三元系的銅銦硒基太陽能電池 (CIS-Based Solar Cell) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 233 8-2-1 三元系的銅銦硒基太陽能電池 (CIS-Based Solar Cell) 圖8-2 代表性銅銦硒系化合物太陽能電池元件的基本結構
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 234 在諸多的三元系銅銦硒系列化合物之中，僅有鑽石結構的化合物是具有良好的光電特性，並相似於元素半導體材料，同樣地具有晶體結構、化學組成、電子結構、以及化學鍵特性等。這些材料是能夠結晶成正方晶體的黃銅礦 (Tetragonal Chalcopyrite) 結構，其a軸與c軸的大小分別地是5.78 A以及11.62 A，而且形成四面體結構 (Tetrahedral) 的共價性化合物，此乃歸因於其sp3混成軌域的形成，亦就是s軌域與p軌域相互重疊而形成一種混成狀態的軌域。
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 235 在三元系銅銦硒系列化合物之中，因缺陷存在的有無而區分，缺陷型三元系化合物以及無缺陷型三元系化合物等兩種。所謂的缺陷，即是其晶體結構之中，出現失序的原子排列狀態；而所存在的缺陷種類，分別地有刃狀差排、螺旋差排 (Screw Dislocation)、雙晶 (Twins)、空孔、以及疊差 (Stacking Fault) 等。 在缺陷型 (Defect Type) 三元系化合物方面，有CdIn2Te4、Ga3PSe3、Ag2HgI4、ZnGeSe3、以及Zn2GeSe4等。在無缺陷型 (Non-Defect Type) 三元系化合物方面，有CuInSe2、CuGe2P3、ZnSiP2、Cu2GeSe3、以及CuAsSe4等。事實上，此類型的化合物種類，已有九十多種的化合物，而且仍有新穎的材料不斷地被合成出來的。
8-2-2 四元系的銅銦鎵硒基太陽能電池 (CIGS-Based Solar Cell) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 237 8-2-2 四元系的銅銦鎵硒基太陽能電池 (CIGS-Based Solar Cell) 四元系的銅銦鎵硒基太陽能電池，是由四元系的銅銦鎵硒化合物半導體所形成的薄膜型太陽能電池。 圖8-3 代表性銅銦鎵硒系化合物太陽能電池元件的基本結構
240 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 在銅銦硒基薄膜太陽能電池方面，除了摻雜鎵而提升其能量轉換效率之外，背面反射層 (Back Reflector) 的導入、氧化鋅薄膜層的導入、化學浴沉積法的導入、遞變性能隙 (Graded Energy Gap) 的導入、新材料功能的導入、薄膜層的膜厚與晶粒形態的控制、薄膜的Cu/(In Ga) 比值、以及其薄膜層間界面特性的理解等，均促使CIGS基薄膜太陽能電池的能量轉換效率，可以達到12.0~18.0% 之間；銅銦硒基薄膜太陽能電池能量轉換效率改善而提升的方法種類，如圖8-4所示的。
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 240 圖8-4 銅銦硒基薄膜太陽能電池能量轉換效率改善而提升的方法種類
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 241
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 241 銅銦鎵硒基太陽能電池，具有較高的而良好的吸收係數 (Absorption Coefficient)，其單位是 (cm1)，而吸收係數的倒數則是吸收長度 (Absorption Length)，其單位是 (cm)。在吸收係數與光子能量的關係圖之中，顯示銅銦鎵硒基太陽能電池的光電特性是同等於其它種類的太陽能電池，而且它亦是極適合於製作薄膜型太陽能電池的一種材料；吸收係數與光子能量的關係圖，如圖8-6所示的。
圖8-6 銅銦鎵硒基太陽能電池之吸收係數與光子能量的關係圖 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 242 圖8-6 銅銦鎵硒基太陽能電池之吸收係數與光子能量的關係圖
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 243 8-3-1銅銦硒系列太陽能電池的製程技術 銅銦硒化物型太陽能電池 (CIS) 的製作流程，將依據前述功能性薄膜層的排列，依序地進行各種相關的製程技術而堆疊成的。其主要的製程技術，是先於基板上濺鍍鉬金屬薄膜；其次地，使用濕式製程來成長銅以及銦等薄膜層；再其次地，進行硒化以及硫化處理；然後，使用濕式製程來成長硫化鎘 (CdS) 薄膜層；最後的過程，是鍍上透明導電膜以及表面電極薄膜層，其整個的製作流程，如圖8-7所示的。
在銅銦硒基太陽能電池方面，其製作的方法： 真空蒸著法 (Vacuum Evaporation) 真空共蒸著法 (Coevaporation) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 245 在銅銦硒基太陽能電池方面，其製作的方法： 真空蒸著法 (Vacuum Evaporation) 真空共蒸著法 (Coevaporation) 電鍍蒸著法 微顆粒沉積法 網版印刷法 噴霧沉積法 化學浴沉積法 (Chemical Bath Deposition, CBD) 金屬有機化學沉積法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 分子束磊晶法 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)
不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法 (Selenization) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 246 不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法 (Selenization) 圖8-8 硒化法的簡單示意圖
8-3-2銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術 248 圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 248 8-3-2銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術 圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程
圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 248 圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續)
圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 249 圖8-9 銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續)
在銅銦鎵硒基太陽能電池方面，其製作的方法： 真空蒸著法 (Vacuum Evaporation) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 251 在銅銦鎵硒基太陽能電池方面，其製作的方法： 真空蒸著法 (Vacuum Evaporation) 真空共蒸著法 (Coevaporation) 電鍍蒸著法 微顆粒沉積法 化學浴沉積法 (Chemical Bath Deposition, CBD) 網版印刷法 噴霧沉積法 金屬有機化學沉積法 (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 分子束磊晶法 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)
不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法 (Selenization) 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 251 不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法 (Selenization) 硒化法以及真空共蒸著法，是最常見而使用製作銅銦鎵硒基 (CIGS) 太陽能電池，而且它們各自地有各自的優缺點，如表8-1所示
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 253 在薄膜沉積以及形成的過程，為了瞭解、分析、以及掌控薄膜的即時狀況 (Real-Time Condition)，主要的分析設備以及其相關的量測儀器，有電子衝擊發射光譜儀 (Electron Impact Emission Spectroscopy, EEIS)、原子吸收光譜儀 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)、四極質量光譜儀 (Quadrupole Mass Spectrometer, QMA)、歐傑電子光譜儀 (Auger Electron Spectroscopy, AES)、X射線光電子光譜儀 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)、原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy, AFM)、掃瞄穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy, STM)。
圖8-10 II-VI族化合物薄膜太陽能電池的製作方法種類 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 254 圖8-10 II-VI族化合物薄膜太陽能電池的製作方法種類
在CIGS基薄膜太陽能電池的製造廠商方面： 第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 256 在CIGS基薄膜太陽能電池的製造廠商方面： 有Siemens Solar Industries (SSI) 公司 International Solar Energy Technology (ISET) 公司 Nordic Solar Energy (NSE) 公司 Showa Shell (SS) 公司 Matsushita Electric (ME) 公司 Global Solar Energy (GSE) 公司 DayStar Technologies (DST) 公司 National Reusable Energy Laboratory (NREL)、Honda公司 Energy Photovoltaics (EPV) 公司
第8章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池 256 就CIGS/CdS系列之薄膜型太陽能電池而言，其未來的研究發展要項，有新的活性層材料、活性層材料特性、接觸電極材料及其特性、薄膜材料形成機制、界面或表面特性、低成本高效率生產技術。在新的活性層材料方面，主要是以能隙大小大於1.7電子伏特的寬能隙材料，可以再進一步地提升其能量轉換效率。