CIGS薄膜太陽能電池（Copper Indium Gallium Diselenide, CIGS）

1.1 太陽能電池發展背景

   近年來地球暖化現象日益嚴重，各國對於二氧化碳排放量嚴格限制，以及石油儲量匱乏，並將於40年後消失殆盡，造成石油價格持續攀升。由於這些因素促使世界各國提升對於替代能源的重視以及需求，因此，各先進研究機構正積極投入替代能源研發並開發出無污染之綠色能源，其中太陽能屬於乾淨且無污染之替代能源，其含量豐沛且無匱乏之虞，並取得容易，各國正積極投入此一能源開發。

    目前太陽能電池發展上，分成以下4大類:矽材料（Single-Crystal, Poly-Crystal, Amorphous Si）、 化合物半導體（GaAs, GaN, CdTe, CIGS）、有機薄膜（Organic Thin Film）、以及染料電池（Dye Sensitized Photovoltaic Cell）等，其中發展以矽材料為主的太陽能電池具低成本、製程容易、高元件品質、商業化、以及成熟的製程技術等優勢，因此，太陽能電池之發展大多以矽材料為主並向外拓展。由於矽太陽能電池其能態結構為非直接能隙，所以光電能源轉換效率多半受限，效率遲遲無法突破提升有限 （如圖1），因此相較之下CIGS太陽能電池變得非常有競爭力，在業界方面市占率正逐漸上升，將成為未來太陽能電池發展重點。

 

 

圖 1 各類型太陽能電池效率圖

資料來源：NREL

 

1.2 CIGS薄膜太陽電池

1.2.1 CIGS薄膜太陽電池的結構

在薄膜太陽能電池中，CIGS太陽電池的高效率獲得很高的關注， CIGS太陽電池已經有三十多年的發展。雖然發展的腳步並不算快速，但是目前CIGS太陽電池在硬式基板上的光電轉換效率已經可以達到20.3 ％[1]，CIGS太陽電池而技術上已有一定的基礎。長期的使用CIGS太陽電池也不易造成光電轉換效率的衰減，使得CIGS太陽電池的應用更加地廣泛。相對於多晶矽太陽電池之所生產耗能而言，CIGS太陽電池的能源回收時間較短。

CIGS薄膜太陽能電池，其主要的吸收層為四元合金CIGS化合物（CuGaSe2）和銅銦硒（CuInSe2）化合物，為I-III（Cu-In）族及III-VI（In-Se）族所形成的I-III-VI型化合物的直接能隙半導體，能隙值為1.02 ~ 1.68 eV，可由薄膜內的銦與鎵的比例來調配能隙大小；CIGS太陽能電池的優勢在於，CIGS化合物的光吸收係數為105 cm-1，薄膜的厚度只要1 μm，就可以吸收95 ％以上的太陽光能量，故薄膜不需要太厚就可有良好的吸收率。

CIGS薄膜太陽電池的典型結構，如圖2。在此型結構中，由下至上，分別為鈉玻璃（Soda-lime glass, SLG）基板、鉬（Molybdenum, Mo）背電極、CIGS光吸收層、硫化鎘（CdS）緩衝層、本質氧化鋅薄膜、透明導電膜及鋁鎳（Ni/ Al）合金電極，。

 

 

圖 2 CIGS薄膜太陽電池的典型結構

 

1.2.2 CIGS太陽電池中各膜層的功能與性質

圖2以SLG為基板，藉此提供鈉離子進入CIGS吸收層中，鈉離子會與硒原子反應，形成中間相化合物NaSex。此舉有助於α相結晶態的形成。亦可使薄膜中的取代晶格中部分原子的位置，改善其導電性。進而改善太陽電池的光電轉換效率。另一方面，SLG的熱膨脹係數與CIGS化合物的熱膨脹係數相近，可防止熱膨脹係數不匹配而造成的脫落問題。

CIGS太陽電池背電極通常使用Mo薄膜，主要是因為在Mo金屬薄膜，容易形成柱狀結構的二硒化鉬（MoSe2） ，可與CIGS化合物薄膜在界面有優異的歐姆接觸電性，可以提升其光電轉換效率。另一方面，Mo金屬具有高反射率，當太陽光照射的時候，可以多次反射而增加光吸收薄膜的吸收性。

在Mo層上方，是P型CIGS吸收層，主要的成分是α相的CuInSe2，而其他為不純相或是析出相的存在著，並將會影響其光電特性；因此，如何製作出單一相的CuInSe2，是極為重要的製程技術。除了單一相的合成之外，光吸收薄膜層的表面顯微結構型態、完整而較少缺陷晶粒、良好的歐姆接觸電性、以及適當的膜層而利於激發載子的收集等，都是提升其轉換效率的重要因素；然而，其中光吸收薄膜層的厚度應該小於載子的擴散長度，以避免激發載子的傳輸過程中，因為再次複合效應的發生，而促使其載子數量減少。CIGS吸收層各元素間的化學組成比，嚴重地影響太陽電池的光伏特性。就高效率的CIGS太陽電池來說，其成分比例Cu/（In+Ga）之比值介於0.8 ~ 0.9之間、鎵含量的最佳化比值會是介於0.28 ~ 0.32之間。而CIGS化合物的能隙大小，由薄膜內銦與鎵的比例而變化之，如圖3所顯示，CIGS太陽能電池，具有較高且良好的吸收係數，其吸收系數為105 cm-1，而吸收係數的倒數為吸收長度（cm），CIGS化合物的吸收長度為10-5 cm，也就是說當薄膜厚度1 μm時可以吸收約95 ％以上的光子能量，故CIGS太陽能電池的光電特性是同等於其他種類的太陽能電池，而且它亦極適合於製作薄膜型太陽能電池的一種材料。

在CIGS吸收層的上方，是N型CdS緩衝層，其與CIGS層間有良好的晶格匹配（lattice matching） ，形成p-n接面型二極體元件。N型的CdS緩衝層是一種直接帶隙半導體材料，其帶隙為2.4電子伏特，是一種可良好搭配CIGS吸收層的光窗材料。但Cd本身其對環境具有污染性，卻不容小覷，許多研究工作著手探討替代方案。

本質氧化鋅層為了防止在CdS層與透明導電膜之間發生的短路，可消除一些不均勻的電性區域。CIGS太陽電池常用的透明導電膜為AZO薄膜，其擁有高穿透，而最上層為鋁鎳（Ni/ Al）合金電極。

 

 

圖 3 各種材料之光吸收係數與CIGS晶格結構

資料來源：工業材料雜誌、AUO

 

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