｜以濺鍍後硒化法製作高效率大面積CIGS太陽能電池

摘要：近年來銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池具有高效率、低成本的潛力，因此有機會取代成本昂貴的矽晶圓太陽電池。為此，本團隊以濺鍍法配合無毒硒化技術，輔以大面積（G1 30×40cm²）連續性濺鍍系統，以開發具量產價值之CIGS薄膜太陽能電池。利用本團隊之大面積（G1 30×40cm²）連續式濺鍍系統（可裝置10組靶材），可搭配使用一至三元的CIG相關靶材製備不同堆疊順序之結構。新穎大面積（G1 30×40cm²）金屬元素硒化設備，可獨立控制硒蒸氣流量及基板溫度，開發無毒硒化製程。藉由大面積之無毒硒化法可製作高結晶性CIGS薄膜，此G1大面積CIGS太陽能電池轉換效率可達6%。

Abstract: In recent years, CIGS thin film solar cells attract increasing attention due to advantages of high conversion efficiency, low manufacturing cost and compatibility. Therefore, CIGS thin film solar cell has potential to replace the expensive crystalline Si solar cell and Si thin film solar cell. NDL develops manufacturing technology of CIGS thin film solar cell with mass production platform using G1 size (30×40cm²) sputtering methods, and non-toxic selenization process technology. G1 size (30×40cm²) continues sputtering system can be installed 10 targets to process 1~3 component alloyed target with different deposition sequence and precursor structure. G1 size (30×40cm²) selenization furnace can control the Se vapor flux and substrate temperature separately. The high crystalline CIGS thin film has been demonstrated by sputtering and selenization methods. The sputtering G1 CIGS solar cell shows the conversion efficiency of 6%.

關鍵詞：銅銦鎵硒薄膜太陽能電池、連續式濺鍍系統、大型硒化爐

Keywords：CIGS solar cell, in-line sputtering system, large-scale selenization furnace

前言
半導體太陽能電池元件和模組技術發展已行之有年，並於近幾年成為熱門的新興產業之一，其原因不外乎能源問題已成為未來世界上最嚴重的威脅。因此，如何以最環保的方式來取得再生性的能源便是當前全人類的一項研究課題，也是目前各國政府積極投入發展的產業之一。由於太陽一個小時照在地球上的能量相當於全人類一年所消耗的能量；根據計算，住宅用太陽能電池每發一度電（1kW•h）所排出的二氧化碳量約為28~45克，為目前一般商用電每發一度電產生量的1/10以下；更由於太陽能發電時所消耗的能量在兩年內就可回收（energy payback time），也不需要冷卻水，因此極具發展潛力[1]。所以如何製造低成本的太陽能電池便是產業界搶占先機贏得市場的重要關鍵，其中包括了製程容易複製以及原物料容易取得等兩要素，也因此薄膜形式的太陽能電池因其材料用量少，若能進一步達到上列兩要素，則會是最具有發展潛力的替代性能源選項。

銅銦鎵硒（CuInGaSe₂ , CIGS）薄膜太陽能電池，是近年來大家積極投入開發的材料，據TOSEA統計顯示，銅銦鎵硒單一元件（cell）效率可達到20%，模組（module）效率則為8-14%，本實驗室目前所進行之研究其元件效率可達14%以上[2]。這是因為CIGS吸收層為具有高吸收係數（α）的直接能隙材料，依據厚度為2/α之吸收層厚度概念，僅1 μm之CuInSe₂ （α=10 ⁴ ~10 ⁵ cm ⁻¹ ）即可吸收90%以上的入射陽光[3]，而相較於最常用的單（複）晶Si，α值僅1×10 ³ cm ⁻¹範圍，故厚度必須為100 μm（2/α）方可有效吸收太陽光，因此Si實非一理想的太陽電池材料。不過，這些材料通常必須使用緩衝層（如CuInSe₂吸收層/CdS緩衝層）以獲得良好的異質介面晶格匹配性，且複晶吸收層之晶粒以粗大（數μm）為宜，以減少在晶界處發生載子復合，但是其典型結構p型CuInGaSe₂ （製程通常為蒸（濺）鍍或輔以硒化） / n型CdS（製程通常為化學浴鍍，Chemical Bath Deposition），因不需要如Si晶太陽電池之微影、擴散製程，而具有更低廉的製造成本。而且，美國再生能源實驗室（NREL）與Siemens Solar GmbH（目前為Shell Solar GmbH）曾分別對CuInSe₂模組進行長達數月至數年的戶外穩定性測試，並證實其模組具有異乎尋常之穩定性[4,5]。因此，開發大面積的CIGS吸收層材料製程技術以呈現產量（Through-put）、良率（Yield）與效率（Efficiency）俱佳的模組是一非常重要的課題。