分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

身段柔軟的太陽能電池

文/廖英凱

太陽能電池,作為綠能科技發展中相當倚重的一塊,近年來科學家們也嘗試利用各種不同材質製作太陽能電池來達到光電轉換的發電方式。除了相當常見如設置於屋頂上或人造衛星的矽基太陽能電池,非矽基的部分也有CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池等等。而工研院綠能所江建志專案經理團隊所致力開發的硒化銅銦鎵(Copper Indium Gallium Diselenide,CIGS)太陽能電池,是屬於薄膜太陽能電池的一種,在能量轉換效率的表現極佳,近年來國際上也已做出21.7%的優異成果,媲美常見多晶矽太陽能電池20.4%的轉換效率。又因為擁有薄膜型的特性,因此可以使用軟性可撓式基板,這能讓應用的範疇更不受限,也能結合卷對卷製程而降低製作成本。在生產過程中所需求的能源與材料損耗也遠低於矽基太陽能電池。而在光吸收率的比較部分,矽基太陽能電池約需200-300μm厚度的半導體吸收層,但CIGS的吸收層僅在1~2μm,粗估在量產製造時,半導體材料費用只需每瓦0.03美元。因此CIGS太陽電池也成為目前太陽光電發展中備受矚目的要角。

常見的CIGS太陽能電池剖面圖與結構示意。

常見的CIGS太陽能電池剖面圖與結構示意。

在CIGS太陽能電池的製程部分,分有真空製程與非真空製程。國際上目前研究經驗中,發現真空製程的能量轉換效率可達相當優異的21.7%,目前國內主要是中科院在進行相關的研發。而工研院非真空製程能量轉換效率也可達到14.6%。雖然說非真空製程的能量轉換效率較低,技術難度較高,但該製程的材料利用率可達到95%以上,而真空製程的材料利用率僅有30%。且非真空製程的製作時間較短,儀器設備也較便宜。預估非真空製程設備投資僅需真空製程的30%,發電成本更可降至每瓦0.5~0.65美元,相較矽基太陽能電池或其他薄膜電池,非真空製程CIGS太陽能電池將極具成本競爭力。

在非真空製程CIGS太陽能電池的製程中,工研院綠能所江經理的方式,是利用非常薄且可撓的不銹鋼基板,先在下電極濺鍍上一層Mo(鉬)。再利用自行開發調配的CIG(銅銦鎵)奈米漿料,採用刮刀塗佈與狹縫式塗佈的方式,讓不銹鋼基板上覆蓋一層CIG前驅物。此時再進行約500℃的熱處理,並利用加熱使前驅物形成CIG的金屬合金。再利用工研院所建置的國內首座硒化氫實驗室,在CIG合金中導入特定比例的Se,形成CIGS化合物,這一層也是在太陽能電池中扮演吸收光能轉化為電能的關鍵吸收層。再來則依序以化學浴方式鍍上作為緩衝層的CdS或ZnS、做為透明導電層的ZnO和鋁箔,最終刷上金屬電極與保護層。

非真空製程CIGS太陽能電池製造流程示意圖。

非真空製程CIGS太陽能電池製造流程示意圖。

目前工研院綠能所所製造的CIGS太陽能電池輕薄可撓,搭配卷對卷印刷製程可再降低製程成本與製造時間。而軟性可撓的太陽能電池特色,也被預期用在許多過去硬式矽基太陽能電池無法應用到的地方,例如穿戴式電子產品或縫紉於衣物與背包上,也能更彈性且免去大型安裝工程地用在建築物表面,或是結合遮陽棚、窗簾等達到太陽能電池安裝的最大功效。

軟式可撓的CIGS太陽能電池。

軟式可撓的CIGS太陽能電池。

在近年來的研發歷程中,江經理回憶到CIGS太陽能電池的能量效率,從一開始毫無價值的2%,在第一年的投入研發克服重重關卡提升到9%,陸續發現新製程提升到12%而成為備受矚目的發展重點。並以非真空製程、無鎘、軟性可撓式等特點,先後以12.5%和14.2%的能源轉換效率,在第26、27屆歐洲太陽能國際會議(EUPVSEC)榮獲薄膜太陽電池領域之最佳海報論文獎,在全世界僅7篇、亞洲僅兩篇的獲獎論文中能連續兩年獲獎,更代表著這項技術在國際上舉足輕重的前瞻地位,隨著綠能需求的日益加重,希望在可預期的未來,非真空製程CIGS太陽能電池,能成為我國引領世界太陽能產業的關鍵契機,也能為再生能源的發展提供更多的助力。

更多資訊請參考解密科技寶藏

關於作者

解密科技寶藏

由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!