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新譯通翻譯公司--電池構造系統說明書翻譯資料片斷摘錄:
1.【前言】
由于全球氣候變遷、空氣污染問題以及資源日趨短缺之故，太陽能發電做為動力供應主要來源之一的可能性，已日益引起人們注目，這也是近年以硅晶圓為主的太陽能電池市場快速成長的原因。然而硅晶圓為主的太陽能發電技術其成本畢竟高出傳統電力產生方式甚多，因此目前市場仍只能局限于特定用途，也因此世界上主要的研究單位，均致力于投入太陽能相關技術的研究，企求開發出新的物質，能降低產品成本并提升效能。
薄膜式太陽能電池由于只需使用一曾極薄光電材料，相較于硅晶圓必須維持一定厚度而言，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用軟性基材，應用彈性大，如果技術能發展成熟，相信其市場面將較硅晶方式寬廣許多。基于此，薄膜式太陽能電池的發展，在上一世紀僅展很快。
本文將就數種薄膜式太陽能電池，就技術面、發展潛力與可能瓶頸提出概括論述，由于篇幅限制以及個人才疏學淺，疏漏錯失之處，尚祈大家指正。
在介紹薄膜式太陽能電池之前，首先本文想先介紹目前市場上最主要產品－硅晶圓太陽能電池，簡述其以目前能在市場居于絕對優勢的原因。
2.【硅晶圓太陽能電池】
自1954年貝爾實驗室發表了具備6﹪光電效率的電池后，隨著集成電路的發展，此類型一直是市場的主角，其市占率從未低于80﹪，如果只考慮供電超過超過1kW的市場，更幾乎是100﹪。究其原因大概可分為三方面：一、成本與價格；二、模塊的效率；三、產能規模與利用率。
由于科技的進步，包括了晶圓厚度、切割技術、晶圓尺寸，以及晶圓價格，均有長足的改善，自1960s以來，以此類電池發電，單位瓦數（watt）成本已下降約50倍，目前價格約為US＄2.5
~ 3 / watt。依據美國國家再生能源實驗室的報導，薄膜太陽能電池的制造成本在過去10年亦呈大幅下降，趨勢比硅晶圓還快，不過至今一般而言，其價格仍約高于硅晶圓式50﹪。
硅晶圓單一電池系統目前實驗室光電效率已達25﹪，與理論值29﹪非常接近。商業化產品的光電效率自1970s以來也有長足進步，近年以達約12﹪。這項技術成果，相對而言，是多數薄膜技術所不及之處。
生產成本往往深受生產規模影響，太陽電池也不例外。比較硅晶圓式與薄膜式，一般而言，目前產能規模前者約是后者10倍，因此固定成本可大幅分攤。其次是產能利用率而言，目前硅晶圓式生產廠商，由于這幾年市場年年大幅成長，平均產能利用率約達80﹪，而薄膜式廠商僅約40﹪。這使得硅晶圓式更具生產成本競爭力，成為市場上的一支獨秀。
3.【非晶系硅太陽能電池】Amorphous silicon solar cell
此類型光電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系硅構成。由于非晶系硅具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2
~ 0.5μm。其吸光頻率范圍約1.1 ~ 1.7eV，不同于晶圓硅的1.1eV，非晶性物質不同于結晶性物質，結構均一度低，因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極高，為必免此現象發生，I層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電池長采多層結構堆棧方式設計，以兼顧吸光與光電效率。
這類型光電池先天上最大的缺失在于光照使用后短時間內性能的大幅衰退，也就是所謂的SWE效應，其幅度約15
~ 35﹪。發生原因是因為材料中部份未飽和硅原子，因光照射，發生結構變化之故。前述多層堆棧方式，亦成為彌補SWE效應的一個方式。
非晶型硅光電池的制造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）制造硅薄膜。基材可以使用大面積具彈性而便宜材質，比如不銹鋼、塑料材料等。其制程采取roll-to-roll的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高質量導電玻璃層價格高，以至其總制造成本僅略低于晶型太陽能電池。至于多層式堆棧型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了電池成本。綜合言之，在價格上不太具競爭優勢的前提下，此類型光電池年產量再過去三年仍呈現快速成長，2003年相較于2002年成長了113﹪，預期此趨勢將持續下去。
為了降低制造成本，近年有人開發已VHF電漿進行制膜，制程速度可提升5倍，同時以ZnO取代SnO2作為導電玻璃材料，以降TCO成本，預計未來制程順利開發成功，將可使非晶型硅光電池競爭力大幅提高。展望未來此型光電池最大的弱點在于其低光電轉化效率。目前此型光電池效率，實驗室僅及約13.5﹪，商業模塊亦僅4
~ 8﹪，而且似乎為來改善的空間，可能相當有限。
4.【銅銦鎵二硒太陽能電池】Copper Indium Gallium
Diselenide Solar Cells
此類型光電池計有兩種：一種含銅銦硒三元素（簡稱CIS），一種含銅銦鎵硒四元素（簡稱CIGS）。由于其高光電效率及低材料成本，被許多人看好。在實驗室完成的CIGS光電池，光電效率最高可達約19﹪，就模塊而言，最高亦可達約13﹪。CIGS隨著銦鎵含量的不同，其光吸收范圍可從1.02ev至1.68ev，此項特征可加以利用于多層堆棧模塊，已近一步提升電池組織效能。此外由于高吸光效率（α>105㎝-1），所需光電材料厚度不需超過1μm，99﹪以上的光子均可被吸收，因此一般粗估量產制造時，所需半導體原物料可能僅只US$0.03/W。
CIGS光電池其結構有別于非晶型硅光電池，主要再于光電層與導電玻璃間有一緩沖層（buffer
layer），該層材質通常為硫化鉻（CdS）。其載體亦可使用具可撓性材質，因此制程可以roll-to-roll方式進行。目前商業化制程是由shell
solar所開發出來，制程中包含一系列真空程序，造成硬件投資與制造成本均相當高昂，粗估制程投資一平方米約需US$33。實驗室常用的同步揮發式制程，放大不易，可能不具商業化可行性。另一家公司，ISET，已積極投入開發非真空技術，嘗試利用奈米技術，以類似油墨制程（ink
process）制備層狀結果，據該公司報導，已獲初步成功，是否能發展成商業化制程，大家正拭目以待。另外，美國NREL亦成功開發一種三步驟制程（3-stage
process），在實驗室非常成功，獲得19.2﹪光電效率的太陽能電池。不過由于該制程相當復雜，花費亦大，咸認放大不易。
綜合而言，CIGS在高光電效率低材料成本的好處下，面臨三個主要困難要克服：（1）制程復雜，投資成本高；（2）關鍵原料的供應；（3）緩沖層CdS潛在毒害。制程改善，如前述有許多單位投入，但類似半導體制程的需求，要改良以降低成本，困難度頗高。奈米技術應用，引進了不同思維，可能有機會，但應用至大面積制造，其良率多少？可能是一項挑戰。其次原材料使用到銦元素也是一項潛在隱憂，銦的天然蘊藏量相當有限，國外曾計算，如以效率10﹪的電池計算，人類如全面使用CIGS光電池發電供應能源，可能只有數年光景可用。鎘（Cd）的毒性一直是人們所關注，硫化鎘（CdS）在電池中會不會不當外露，危害人們，并不能讓所有人放心，因此在歐洲部份國家，舍棄投入此型光電池研究。
5.【鎘碲薄膜太陽能電池】Cadmium Telluride Thin Film
Photovoltaics，CdTe
此類型薄膜光電池在薄膜式光電池中歷史最久，也是被密集探討的一種之一。再1982年時Kodak首先做出光電效率超過10﹪的此類型光電池，目前實驗室達成最高的光電效率是16.5﹪，由美國NREL實驗室完成，其作法是將已建立多年的電池構造，在進一步增量修改，并改變部分材質。
典型的CdTe光電池結構的主體是由約2μm層的P-type CdTe層與后僅0.1μm的n-type
CdS形成，光子吸收層主要發生于CdTe層，西光效率細數大于105㎝-1，因此僅數微米厚及可吸收大于90﹪的光子。CdS層的上沿先接合TCO，再連接基材，CdTe上沿則接合背板，以形成一個光電池架構。目前已知為制備高光電效率CdTe光電池，不論電池結構如何，均需要使用氯化鎘活化半導體層，方法上可采濕式或干式蒸氣法。干式法較為工業界所采用。
關于CdTe光電池的薄膜，目前已有多種可行的工藝可采用，其中不乏具量產可行性的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學蒸鍍（CVD）、ALE（atomic
layer epitaxy）、網印（screen-printing）、電流沉積法（galvanic
deposition）、化學噴射法（chemical spraying）、密集堆積升華法（close-packed
sublimation）、modified close-packed sublimation、sublimation-condensation。各方法均有其利弊，其中電流沉積法是最便宜的方法之一，同時也是目前工業界采用的主要方法。沉積操作時溫度較低，所耗用碲元素也最少。
CdTe太陽能電池在具備上述許多有利于競爭的因素下，在2002年其全球市占率僅0.42﹪，2000年時全球交貨量也不及70MW，目前CdTe電池商業化產品效率已超過10﹪，究其無法耀升為市場主流的原因，大至有下列幾點：ㄧ、模塊與基材材料成本太高，整體CdTe太陽能電池材料占總成本的53﹪，其中半導體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運藏量有限，其總量勢必無法應付大量而全盤的倚賴此種光電池發電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池。【硅薄膜太陽能電池】Thin
Film Silicon Solar Cells
最早開發此型光電池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅結晶層的厚度僅5~50毫米，可以次級硅材料、玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此類型光電池由于電子與電洞傳導距離短，因此硅材料的純度要求，不若硅晶圓型太陽能電池高，材料成本可進一步降低。由于硅材料不若其它發展中光電池半導體材料，具有高的吸光效率，且此型光電池硅層膜，不若硅晶圓型太陽能電池硅層厚度約達300微米，為提高光吸收率，設計上需導入光線流滯的概念，此點是與其它薄膜型光電池不同之處。
此類型光電池之制備方法有：液相磊晶（liquid phase
epitaxy，LPE）、許多型式的化學蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強化化學蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無一引用至工業界，雖然如此，一般咸信常壓化學蒸鍍，應具備發展為量產制程的可能性。上述蒸鍍法，操作溫度區間在300~1200℃，主要依據基材材料而定。
此型光電池光電效率實驗室最高已達21﹪，市場上只有Astropower一家產品，當基材使用石墨時，效率可達13.4﹪，由于石墨材料價格昂貴，目前研究工作大底有三個方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高溫基材；三、將單晶硅層半成品轉植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功運用此方法，成功制備100㎝2，光電效率達16﹪的組件。整體而言，此類型光電池系統的發展仍處于觀念可行性驗證時期，實驗室制備技術是否能發展成具經濟效應的量產程序，是人們關注的另一重點。
染料敏化太陽能電池】Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC
此型光電池可是源自19世紀，人們照相技術的理念，但一直到超過100年后的1991年，瑞士科學家Gratzel采用奈米結構的電極材料，以及適切的染料，組成光電效率超過7﹪的光電池，此領域的技術研究開發，才引起大家積極而熱烈的投入。此項成功結合奈米結構電極與染料而創造出高效率電子轉移接口的技術，跳脫傳統無材料固態接口設計，可說是第三代太陽能電池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授權，其中包括了Toyota/IMRA、
Sustainable Technology International（STI）等著名公司。
此類型光電池的工作原理是藉由染料做為吸光材。染料中價電層電子受光激發，要升至高能階層，進而傳導至奈米二氧化鈦半導體的導電層，在經由電極引至外部。失去電子的染料則經由電池中電解質得到電子，電解質是由I/I3+溶于有機溶劑中形成。
此型電池的結構一般有兩種，實驗室制備的通常為三明治結構，上下均為玻璃，玻璃內源則為TCO。中間有兩部份，包括含有染料的二氧化鈦，以及溶有電解質的有機溶液。為利用已發展較成熟的其它薄膜光電池制備技術，Gratzel等，于1996年發展出三層式的monolithic
cell structure，采用碳電極取代一層TCO電極，各層的制備可直接沉積在另一層TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具撓屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可應用于此類型電池制備。德國的ISE公司已發展出包含網印方式的生產流程（如下圖），制程非常簡單。關于DSSC的制造成本，由于該型電池為新世代產品，目前并無量產市場，因此有不同的評估值，依據Gratzel
1994年的估算，如以5﹪光電效率為基礎，其制造成本約US$1.0~1.3/Wp（年產能5~10
NWp/year），Solaronix SA 1996年的鈷算則為US$2.2/Wp/year（年產能4MWp/year）；相較于技術開發較久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25
MWp/year）兩類型，成本差距似乎不大。
DSSC發展的最大利基，咸認在于其簡單的制程，不需昂貴設備與高潔凈度的廠房設施。其次所使用材料二氧化鈦、電解質等亦非常便宜。至于鉑金屬觸媒以及染料，相信生產規模變大時，價格亦會下降。其次就如同其它部分薄膜光電池，因為可以使用具撓屈性基材，因此應用范圍可大幅擴張，不似目前硅晶圓式，只適用于屋頂等少數場合。
未來DSSC如要成為具商業競爭力，甚至達到高市占率，仍有幾件事需要證明：一、光電池本身的長期使用性。雖然實驗室以較嚴苛條件測試，推估使用十年以上沒有問題，但畢竟還是缺乏對商業產品長期使用的實測數據。二、對大面積的制備技術，有待努力發展。目前此方面工藝研究投入較少。三、對整體電池模塊細部的基礎研究，仍有許多工作要做，此方面研究可促進產品質量與規格的確立。
高能階差半導體，光穩定性較高，因此如能以此類物質取代二氧化鈦，學理上應較易獲得耐久性DSSC產品，關于這方面研究，有部分研究單位也積極投入，惟至今仍未獲得良好成果。開發新式染料以取代目前公認最佳的染料，有機釕金屬（簡稱N3），亦是一項熱門研究主題。有機染料化學是發展很久的一學術與產業領域，因此許多人相信經由適切的構思與系列實驗，應有機會開發出吸光能力比N3好的有機染料，如此除可免除使用貴重的釕金屬外，染料成本也可獲得大幅降低。
6.【結語】
太陽光電池產業在過去幾年呈現35﹪的年成長率，市場以硅晶圓型光電池為最主要。其中原因除了硅晶圓光電池成本，因硅半導體產業的蓬勃發展之故，大幅下降外，人們對新能源的積極尋求也是原因。此外，量產規模的逐步建立是價格下降的主要因素。
環視未來，硅晶圓太陽光電池是否仍能持續長期主導市場？由薄膜電池的進展來看，答案可能是否定的。因為薄膜式電池技術進展很快，雖然發展出使用不同的復合半導材料，但彼此技術有可互相借鏡之處。就降低成本而言，還有很多空間。反觀目前硅晶圓式光電池，技術發展已臻成熟，其主要成本來自于硅晶圓材料，能進一步壓縮成本的空間相當有限。此外，薄膜式光電池一般而言，其制造時所耗能源的回償時間，通常不及傳統硅晶圓式的一半（亦即小于十年），部分甚至小于五年，如非晶相硅薄膜光電池與染料敏化太陽能電池。加上薄膜式光電池所使用材料較少，故整體而言薄膜式光電池是較為環保且具能源效率的產品。
1.幾種發展中薄膜光電池，或許受到使用毒性物質影響，有其發展限制；或者部份因使用天然儲量有限元素，預期可能無法全面長期應用于提供人類能源之用，但其累積技術、經驗卻彌足可貴，一但新觀念或材料產生，即可以發揮立即功效。這也是為何硅薄膜式或染料敏化式深受重視。兩者均可應用發展多年的薄膜制備技術，而前者另外引用人們對硅多年累積經驗，后者可藉人們對有機染料以建立的充沛知識。也因此，雖然兩者都是薄膜式光電池發展起步較晚的技術，但可能也是最具產生全面影響潛力的技術。
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