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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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軟性非真空無鎘CIGS元件 推展太陽光電的嶄新能量

文/魏茂國

太陽光電的運用,在現今能源的開發與轉型上扮演重要角色。但是除了利用太陽能發電取代傳統能源,並降低資源消耗與污染排放外,從電池的種類、製程、成本等過程中,也充滿許多節能環保或推廣普及的要素;「軟性非真空無鎘CIGS元件」的應用,將增加太陽能導入日常生活的可能性,並提高再生能源強調的潔淨與環境友善。

近來受到歐美景氣低迷,加上中國對其太陽光電產業的扶植效應,造成許多國際太陽能廠商相繼破產關廠,或是關閉部份生產線,引起產業不小的震撼。不久前,在工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)所舉辦的「太陽光電產業撥雲見日之道」研討會中,產業分析師楊翔如也指出,全球太陽光電市場正面臨歐美債信危機、政府補助緊縮和小型系統當道等三大課題,亦透露出現今太陽光電產業的轉型挑戰。

透過太陽光轉換為電能,提供各式電器產品的電力來源,不只是再生能源應用中的要角,也是解決能源議題的一塊重要拼圖。但過去為了推廣太陽光電,各國多是採取補助及收購的措施,以擴大太陽光電的規模,顯見太陽光電設備的成本及價格仍舊過高;因此面對政府支持趨緩、企業自顧不暇的現象,太陽光電產業必須克服「成本」問題就更加刻不容緩。

「市電同價」是普及關鍵

根據美國國家再生能源研究所(National Renewable Energy Laboratory,NREL)研究指出,目前每生產一瓦(W)電力的平均成本約為0.5美元,但以晶矽(Silicon)或非晶矽(a-Si)太陽能電池生產電力,卻高達1美元左右,碲化鎘(Cadmium Telluride,CdTe)太陽電池也要0.64美元;最接近的則是銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium diSelenide,CIGS)太陽電池,約僅0.54美元。

以目前的產業及社會趨勢,工研院綠能與環境研究所專案經理吳宗鑫表示,「市電同價」(Grid Parity)是太陽光電能否普及的關鍵,也就是必須要能以當前相同的花費來換取電力,才能讓民眾更容易接受並使用太陽光電;顯見CIGS太陽能電池是最有可能達到市電同價的太陽能電池,甚至經過轉換效率提升及成本下降後,還有機會可以達到每瓦電力成本低於0.4美元。

針對CIGS太陽電池的技術開發,工研院團隊同樣是從「成本」的概念著手;如果能透過技術的提升,使整體生產成本降低,不只有利於推廣太陽光電,同時廠商也會更願意投入。此外,在轉換效率上,CIGS太陽電池在實驗數據中已可達20%,高於以矽晶圓或碲化鎘為材料的太陽能電池,因此更能在成本與轉換效率的加乘下創造更高的效益。

吳宗鑫進一步解釋,除了實際的生產製造成本外,環境成本也是團隊所考量的重點,因為要真正做到「綠色」能源,並非只是不使用石油或核能等原料,而是要能實現對環境友善,因此才逐漸發展出「軟性非真空無鎘CIGS元件」技術;其中即分別針對吸收層、緩衝層、模組等部份,開發「非真空」、「無鎘」與「軟性」等CIGS太陽電池技術。

非真空製程紓解成本負擔

CIGS銅銦鎵硒太陽電池自問世至今,已有約三十年的時間;最早是由美國NASA所研發,並用於外太空的環境中。相較於一般所見的矽晶圓太陽能板,CIGS太陽電池對於環境的耐受度更高,包括高低溫度的變化以及幅射線等,基本上都不會對電池本身造成破壞,使用壽命也可達到近二十年左右;因此目前送上太空的衛星,幾乎都是採用CIGS太陽電池。

時至今日,在強調轉換效率、應用層面等目的之下,許多國內外廠商都投入CIGS太陽電池的研發,但所著重的製程技術卻各有輕重巧妙。以相當於CIGS太陽電池元件心臟的吸收層,其製程向來是以真空技術為主,如目前德國Wurth Solar和Solarrian使用的共蒸鍍技術,以及日本Solar Frontier的濺鍍硒化技術等,都是屬於真空技術;尤其對於半導體廠商來說,對於濺鍍技術原本就不陌生,可快速轉換投入生產。

但真空技術所需要的生產設備與環境,要求上也較為嚴苛,成本自然就會提高不少;若改採非真空製程技術,不僅能大幅降低成本,並且結合印刷方式生產,更能達到大面積、連續性的量產。以美國ISET與Nanosolar等公司,就是採用非真空吸收層製程技術。

工研院團隊也希望能藉由非真空技術的開發,達到減低成本的目的。不過吳宗鑫表示,從真空製程轉為非真空製程,並不如想像中容易;雖然產業對於真空製程技術的了解已很透徹,但以材料的相變化為例,在非真空製程中就會產生不一樣的情況,如果只是直接套用真空製程下的配方及模式,反而會使得電池的轉換效率降低。

經過多次瓶頸後,研發團隊決定將原有的真空技術捨棄,重新針對材料特性與非真空環境研發吸收層的技術,以達到更完美的晶體型態。同時在塗佈技術上,各家廠商採用的印刷方法也各有不同,例如刮刀、噴灑、旋轉塗佈等;吳宗鑫指出,CIGS薄膜太陽能電池對塗佈的均勻性要求相當高,影響著轉換效率的表現,但在實驗室中通常只能使用刮刀式的印刷,產品面積也較小,若能結合產業較佳的印刷生產設備,亦可提高塗佈時的均勻品質。

以目前的研發成果,在非真空的吸收層製程下,CIGS太陽電池的轉換效率已可達到11.5%。吳宗鑫表示,估計當轉換效率提升至13%時,就能實現市電同價的目標,但「就算達不到13%的轉換效率,透過整體生產成本的降低,仍然可以做到市電同價」;可是如果採用的是真空製程技術,在相同的轉換效率下,就會因成本過高而無法達到市電同價。

無鎘緩衝層減低污染問題

CIGS太陽電池的另一項特性,在於使用了價格較高的銦、鎵、硒等稀土元素,尤其銦和鎵的存量原本就較少,並有七成的蘊藏量及超過九成五的出產量皆來自中國,加上近年中國對於稀土出口的限制緊縮,促使價格上漲;像是過去三年以來,鎵的價格就翻漲了一倍。

不過吳宗鑫也分析,就CIGS太陽電池的體積,其中使用到稀土元素的CIGS層,厚度僅僅只有2 µm(Micrometer,微米),與一般東方人頭髮直徑10 µm相較,也就是只有五分之一的頭髮厚度;換句話說,稀土原料的成本雖不容易下降,但在CIGS太陽電池中的用量卻不多,占總生產成本的比例不到10%,反而是材料使用率相對來說更為重要。

另一項值得關切的原料,研發團隊則是希望能夠替換太陽電池緩衝層中所使用的硫化鎘(CdS)。過去在台灣及日本等地,都發生過鎘污染事件,對環境、經濟、健康都造成傷害;鎘化物在太陽電池正常運作時雖不至於產生問題,但在德國也曾發生過因農場火災,使得太陽能系統損毀並導致污染的疑慮。

傳統CIGS太陽能電池上層的N-type半導體中,為避免氧化鋅(ZnO)破壞CIGS層的表面,會鍍上硫化鎘做為緩衝層來保護CIGS層,並且和CIGS層之間的搭配也較好,因此目前還是有不少廠商仍採用硫化鎘為緩衝層的材料;尤其在更換硫化鎘的同時,通常轉換效率也會跟著低落。

基於對環境成本的考量,以硫化銦取代硫化鎘,並能維持轉換效率,是研發團隊努力的方向。吳宗鑫解釋,在真空製程與非真空製程之下,吸收層的表面性質將截然不同;於是研發團隊同樣從配方源頭開始不斷修正,並針對不同製程的特性開發無鎘緩衝層技術,讓廠商不論採用的是真空或非真空製程,都有無鎘的緩衝層技術得以搭配。

以結合吸收層的非真空製程與緩衝層的無鎘技術,除了可以解決鎘危害、降低環境成本,同時在改用硫化銦後,一方面原物料成本比硫化鎘還低,厚度也只有30 nm(Nanometer,奈米,千分之一微米),用量十分少,而且可減少因處理含鎘廢棄物所需的昂貴費用;甚至因為使用硫化銦而產生的含銦廢棄物,還可經販售回收後再度利用,對生產成本與環境成本皆有益處。

軟性模組擴大應用領域

很多人都看過架設在建築頂部的太陽能板,在歐洲及中國等地,還有不少「Solar Farm」(太陽能電場)的建設,以大量獲取太陽光能轉換的電力;然而,這些太陽光電系統的建置,基本上都是在固定的基座上,所使用的太陽能電池,也多是傳統以玻璃為基板的結構,不論是在重量或體積上都有一定的份量,也更加突顯出「軟性」薄膜太陽能電池的優勢。

吳宗鑫以歐洲為例,所見到的太陽能板規格,皆為60公分乘以120公分,就是經過計算符合一位歐洲成年男子所能夠舉起的最大面積,以及因應以人工扛上屋頂的架設方式;這對於太陽光電的應用推廣,就不免產生了限制。甚至在國內,一般屋頂上的太陽能板因考慮照射角度及通風散熱而架高斜設,但亦有高度限制,否則也會被視為違建。

甚至在材料成本方面,硬式的玻璃基板比起目前的軟性基板還要高;顯見改為軟性薄膜型式的太陽能電池,不只能提高應用範圍,並可改善廠商的利潤。以工研院選用的軟性不鏽鋼基板,除了本身就具導電性質外,還可免除鋁箔的表面氧化問題,以及因應硒化製程中,需避免鋁箔基板接觸硒蒸氣所產生的嚴重反應,因而必須提高機台設計的複雜性。

此外,以不鏽鋼為基板材質,價格也比另一種主流材料銅(箔)來得便宜。同時研發團隊也正嘗試運用有機高分子材料PI(Polyimide,聚亞醯胺)做為CIGS太陽電池的基板,這種早期在真空環境中用做黏著的膠材,特質在於耐熱性佳、應用性廣,不會有金屬高溫擴散問題,且相同面積下成本僅約玻璃的十分之一,國內廠商即有優質的生產技術,可將PI的耐熱程度提高到400度C以上。

尤其考慮到環境成本的問題時,吳宗鑫表示,製造簡單、原料便宜的PI,還可以回收重新利用。只是在真空製程中,因溫度超過500度C,並不適合使用PI;目前也只有一種PI產品的耐熱溫度達到480度C,符合其他製程的需要。因此,如何進一步降低製程中的熱處理溫度,讓CIGS太陽電池能夠廣泛使用PI來製作基板並降低成本,就是研發團隊正在努力的方向之一。

技術整合發展更具彈性

結合了非真空、無鎘、軟性等技術的「軟性非真空無鎘CIGS元件」,其應用層面便可較以往擴增。除了仍可以玻璃為基板,取代傳統硬板的太陽電池外,更因為具備了軟性的特色,而在使用場所上減少受限;像是可配合建築外牆的變化平貼設置,不但不影響建築的設計樣式,裝置面積亦可大幅提升,提高發電量。

「都市裡的居民考慮到大樓遮蔽而發電量減少的問題,所以對裝設太陽能板興趣缺缺,主因還是在於成本太高;如果成本能夠便宜到即使短時間被遮擋陽光也不會介意,就會有更多的應用機會。」吳宗鑫也以太陽能電動車為例,經過輕量化、軟性、可連續生產的CIGS太陽電池,可以迎合不同的車型設計,不需要各別製作模具來生產特定尺寸的太陽能板,也是最好的解決方法。

吳宗鑫認為,攜帶方便、容易與電子用品搭配的「軟性非真空無鎘CIGS元件」,其實更是個良好的「輔助」補充能源,只要透過微小的部件空間,例如手機的邊框就可以裝設充電,藉此延長電池的續航力,進而降低原有電池與產品的體積。因此若與國內的3C產業結合,也會有相當大的市場優勢,成為台灣才有的獨特產品;甚至是帳棚、登山衣等戶外應用,都是可以開發的層面。

需要合適設備相輔相成

不像其他廠商或研發機構,只在CIGS太陽電池的吸收層、緩衝層與模組等三大部份中,專注投入於一至兩項技術;「軟性非真空無鎘CIGS元件」是領先世界將這三項創新技術整合開發,達到「三位一體」的效果,因此不會產生各技術之間互不協調或不適用的狀況;而且在研發同時,也了解到生產設備需要哪些特性與規格,並布局專利,更接近實際量產階段。

吳宗鑫表示,目前生產CIGS太陽電池的廠商,多是由本身的技術出發,並設計或改良設備來配合,有時也會利用標準化的設備,但這在面對不同技術間的差異時,如拼裝車式的設備並無法完全一體適用;也就是說,針對自有的完整技術與原理來設計製造適合的設備,才能達到最好的效果。

每當談到太陽能時,多數人都關注在電池部份,但事實上,生產設備的輔助更不能少。吳宗鑫認為,沒有適合的製造設備,是CIGS太陽電池需要突破的地方,但也是國內廠商的一大切入時機,更有機會成為主流、搶占市場;尤其這些設備的重點並不在於精準度的要求,而是需要標準化及前後設備之間的串接整合。若有技術與設備的密切搭配,以及更多廠商的加入,將可創造樂觀的產業與市場前景,以低廉成本創造高普及率,提升台灣太陽光電產業的優勢。



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