铜铟硒或铜铟镓硒系列太阳能电池

1、8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池18-18-1銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的發展及其銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的發展及其演進演進8-28-2銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構及其特性及其特性8-38-3銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池2本章節將討論以及探討的內容，主要是：本章節將討論以及探討的內容，主要是：銅銦硒銅銦硒 (CIS) (CIS) 或銅銦鎵硒或銅銦鎵硒 (CIGS) (C

2、IGS) 系列太陽能電池的系列太陽能電池的發展及其演進發展及其演進銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構及其特銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的基本結構及其特性性銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池的製程技術2308 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池3黃銅礦基黃銅礦基 (Chalcoprite-Based) (Chalcoprite-Based) 太陽能電池的研究，開太陽能電池的研究，開始於始於19701970年初期年初期. .WagnerWagner博士首先地使用博士首先地使用CISCIS單晶材料，並於其表面沉積單晶材料，

3、並於其表面沉積n n型型硫化鎘硫化鎘 (n-CdS)(n-CdS)，而製作出單晶型銅銦硒化合物的太陽能，而製作出單晶型銅銦硒化合物的太陽能電池電池 (CIS-Based Solar Cell)(CIS-Based Solar Cell)，其光電轉換效率是，其光電轉換效率是12.0%12.0%；爾後，爾後，KazmerskiKazmerski博士使用蒸鍍法，製作出薄膜型銅銦硒博士使用蒸鍍法，製作出薄膜型銅銦硒 (CuInSe2(CuInSe2，CIS) CIS) 太陽能電池，而光電轉換效率大約是太陽能電池，而光電轉換效率大約是9.4%9.4%。 2308 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅

4、銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池4232C h a lc o p y rite2C u F e S(a ) 黃 銅 礦 的 代 表 性 結 晶 構 造S p h a le riteZ n S(b ) 閃 鋅 礦 的 代 表 性 結 晶 構 造圖8-1一般代表性黃銅礦以及閃鋅礦的基本結晶結構 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池5黃銅礦的晶體結構是一種類似於閃鋅礦黃銅礦的晶體結構是一種類似於閃鋅礦 (Sphalerite) (Sphalerite) 結結構的礦物，其代表性的結晶構造，如圖構的礦物，其代表性的結晶構造，如圖8-1(b) 8-1(b) 所示所示 232

5、圖8-1一般代表性黃銅礦以及閃鋅礦的基本結晶結構 Ch a l c o p y r i t e2Cu F e S( a ) 黃銅礦的代表性結晶構造Sp h a l e r i t eZ n S( b ) 閃鋅礦的代表性結晶構造8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池6233圖8-2代表性銅銦硒系化合物太陽能電池元件的基本結構 太陽光線n(ITO,ZnO)型開口層(HgZnO,Zn(O,S,OH)x)高電阻緩衝層CIS(CIS)基光吸收層(Mo)金屬電極層基板開口層 (AZO)緩衝層 (CdS)光吸收層 (CIS)背面電極 (Mo)玻璃基板8 8章章 銅銦硒或銅銦

6、鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池7在諸多的三元系銅銦硒系列化合物之中，僅有鑽石結構的在諸多的三元系銅銦硒系列化合物之中，僅有鑽石結構的化合物是具有良好的光電特性，並相似於元素半導體材料，化合物是具有良好的光電特性，並相似於元素半導體材料，同樣地具有晶體結構、化學組成、電子結構、以及化學鍵同樣地具有晶體結構、化學組成、電子結構、以及化學鍵特性等。這些材料是能夠結晶成正方晶體的黃銅礦特性等。這些材料是能夠結晶成正方晶體的黃銅礦 (Tetragonal Chalcopyrite) (Tetragonal Chalcopyrite) 結構，其結構，其a a軸與軸與c c軸的大小分軸的大

7、小分別地是別地是5.78 A5.78 A以及以及11.62 A11.62 A，而且形成四面體結構，而且形成四面體結構 (Tetrahedral) (Tetrahedral) 的共價性化合物，此乃歸因於其的共價性化合物，此乃歸因於其sp3sp3混成混成軌域的形成，亦就是軌域的形成，亦就是s s軌域與軌域與p p軌域相互重疊而形成一種混軌域相互重疊而形成一種混成狀態的軌域。成狀態的軌域。2348 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池8 在三元系銅銦硒系列化合物之中，因缺陷存在的有無而區分，缺陷型在三元系銅銦硒系列化合物之中，因缺陷存在的有無而區分，缺陷型三元系化合物

8、以及無缺陷型三元系化合物等兩種。所謂的缺陷，即是三元系化合物以及無缺陷型三元系化合物等兩種。所謂的缺陷，即是其晶體結構之中，出現失序的原子排列狀態；而所存在的缺陷種類，其晶體結構之中，出現失序的原子排列狀態；而所存在的缺陷種類，分別地有刃狀差排、螺旋差排分別地有刃狀差排、螺旋差排 (Screw Dislocation)(Screw Dislocation)、雙晶、雙晶 (Twins)(Twins)、空孔、以及疊差空孔、以及疊差 (Stacking Fault) (Stacking Fault) 等。等。 在缺陷型在缺陷型 (Defect Type) (Defect Type) 三元系化合物方面

9、，有三元系化合物方面，有CdIn2Te4CdIn2Te4、Ga3PSe3Ga3PSe3、Ag2HgI4Ag2HgI4、ZnGeSe3ZnGeSe3、以及、以及Zn2GeSe4Zn2GeSe4等。在無缺陷型等。在無缺陷型 (Non-Defect (Non-Defect Type) Type) 三元系化合物方面，有三元系化合物方面，有CuInSe2CuInSe2、CuGe2P3CuGe2P3、ZnSiP2ZnSiP2、Cu2GeSe3Cu2GeSe3、以及以及CuAsSe4CuAsSe4等。事實上，此類型的化合物種類，已有九十多種的化等。事實上，此類型的化合物種類，已有九十多種的化合物，而且仍有新

10、穎的材料不斷地被合成出來的。合物，而且仍有新穎的材料不斷地被合成出來的。2358 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池9四元系的銅銦鎵硒基太陽能電池，是由四元系的銅銦鎵硒四元系的銅銦鎵硒基太陽能電池，是由四元系的銅銦鎵硒化合物半導體所形成的薄膜型太陽能電池。化合物半導體所形成的薄膜型太陽能電池。 237圖8-3代表性銅銦鎵硒系化合物太陽能電池元件的基本結構 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池10在銅銦硒基薄膜太陽能電池方面，除了摻雜鎵而提升其能在銅銦硒基薄膜太陽能電池方面，除了摻雜鎵而提升其能量轉換效率之外，背面反射層量轉換

11、效率之外，背面反射層 (Back Reflector) (Back Reflector) 的導入、的導入、氧化鋅薄膜層的導入、化學浴沉積法的導入、遞變性能隙氧化鋅薄膜層的導入、化學浴沉積法的導入、遞變性能隙 (Graded Energy Gap) (Graded Energy Gap) 的導入、新材料功能的導入、薄膜的導入、新材料功能的導入、薄膜層的膜厚與晶粒形態的控制、薄膜的層的膜厚與晶粒形態的控制、薄膜的Cu/(In Cu/(In Ga) Ga) 比值、比值、以及其薄膜層間界面特性的理解等，均促使以及其薄膜層間界面特性的理解等，均促使CIGSCIGS基薄膜太基薄膜太陽能電池的能量轉換效率，

12、可以達到陽能電池的能量轉換效率，可以達到12.018.0% 12.018.0% 之間；之間；銅銦硒基薄膜太陽能電池能量轉換效率改善而提升的方法銅銦硒基薄膜太陽能電池能量轉換效率改善而提升的方法種類，如圖種類，如圖8-48-4所示的。所示的。2408 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池11能量轉換效率改善即提升摻雜鎵元素背面反射層或反射導入氧化鋅薄膜層導入化學浴沉積製程遞變性能隙層導入新材料及新功能薄膜層薄膜層晶粒型態及顯微結構Cu/(InGa)比率調節薄膜層介面特性圖圖8-48-4銅銦硒基薄膜太陽能銅銦硒基薄膜太陽能電池能量轉換效率改善而提升電池能量轉換效率改

13、善而提升的方法種類的方法種類2408 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池12玻璃基板鉬薄膜層銅銦薄膜層鎵硒薄膜層沉積反應槽清水清洗槽沉積反應槽酸鹼性清洗槽去離子水清洗、乙醇、丙酮超音波清洗 圖 8-5 化學 浴 沉積 法 的簡 單 示意 圖 2418 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池13銅銦鎵硒基太陽能電池銅銦鎵硒基太陽能電池，具有較高的而良好的吸收係數具有較高的而良好的吸收係數 (Absorption Coefficient)(Absorption Coefficient)，其單位是其單位是 (cm(cm 1)1)，而吸收

14、而吸收係數的倒數則是吸收長度係數的倒數則是吸收長度 (Absorption Length)(Absorption Length)，其單位其單位是是 (cm)(cm)。在吸收係數與光子能量的關係圖之中，顯示銅。在吸收係數與光子能量的關係圖之中，顯示銅銦鎵硒基太陽能電池的光電特性是同等於其它種類的太陽銦鎵硒基太陽能電池的光電特性是同等於其它種類的太陽能電池，而且它亦是極適合於製作薄膜型太陽能電池的一能電池，而且它亦是極適合於製作薄膜型太陽能電池的一種材料；吸收係數與光子能量的關係圖，如圖種材料；吸收係數與光子能量的關係圖，如圖8-68-6所示的。所示的。2418 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能

15、電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池14242圖8-6銅銦鎵硒基太陽能電池之吸收係數與光子能量的關係圖 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池15銅銦硒化物型太陽能電池銅銦硒化物型太陽能電池 (CIS) (CIS) 的製作流程，將依據前的製作流程，將依據前述功能性薄膜層的排列，依序地進行各種相關的製程技術述功能性薄膜層的排列，依序地進行各種相關的製程技術而堆疊成的。其主要的製程技術，是先於基板上濺鍍鉬金而堆疊成的。其主要的製程技術，是先於基板上濺鍍鉬金屬薄膜；其次地，使用濕式製程來成長銅以及銦等薄膜層；屬薄膜；其次地，使用濕式製程來成長銅以及銦等薄膜層；再其次地

16、，進行硒化以及硫化處理；然後，使用濕式製程再其次地，進行硒化以及硫化處理；然後，使用濕式製程來成長硫化鎘來成長硫化鎘 (CdS) (CdS) 薄膜層；最後的過程，是鍍上透明薄膜層；最後的過程，是鍍上透明導電膜以及表面電極薄膜層，其整個的製作流程，如圖導電膜以及表面電極薄膜層，其整個的製作流程，如圖8-8-7 7所示的。所示的。2438 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池16在銅銦硒基太陽能電池方面，其製作的方法：在銅銦硒基太陽能電池方面，其製作的方法：真空蒸著法真空蒸著法 (Vacuum Evaporation)(Vacuum Evaporation)真空共蒸

17、著法真空共蒸著法 (Coevaporation)(Coevaporation)電鍍蒸著法電鍍蒸著法微顆粒沉積法微顆粒沉積法網版印刷法網版印刷法噴霧沉積法噴霧沉積法化學浴沉積法化學浴沉積法 (Chemical Bath Deposition, CBD)(Chemical Bath Deposition, CBD)金屬有機化學沉積法金屬有機化學沉積法 (Metallic Organic Chemical (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)Vapor Deposition, MOCVD)分子束磊晶法分子束磊晶法 (Molecular

18、 Beam Epitaxy, MBE) (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 2458 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池17不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法稱之為硒化法 (Selenization) (Selenization) 246氫化硒蒸氣 - 硒蒸氣銦鎵被覆層銅被覆層鉬薄膜層銦鎵被覆層銅被覆層鉬薄膜層硒薄膜層加熱銅銦鎵硒化物銅銦鎵硒化物(a) 氣相擴散法(b) 固相堆疊擴散法硒化處理擴散處理硒化處理擴散處理玻璃基板玻璃基板圖8-8硒化法的簡單示意圖

19、8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池18248基板洗淨鉬電極層蝕刻圖案 ( 一 )銅銦硒被覆層回火處理氧化鋅鎂濺鍍蝕刻圖案 ( 二 )氧化鋅濺鍍蝕刻圖案 ( 三 )緣邊去除及導線連接積層化處理( a ) 整體流程圖8-9銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池19248圖8-9銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續) 基 板 洗 淨鉬 電 極 層蝕 刻 圖 案 ( 一 )銅 銦 硒 被 覆 層回 火 處 理氧 化 鋅 鎂 濺 鍍蝕 刻 圖 案 ( 二 )氧 化

20、 鋅 濺 鍍蝕 刻 圖 案 ( 三 )緣 邊 去 除 及 導 線 連 接積 層 化 處 理(a ) 整 體 流 程8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池20249圖8-9銅銦鎵硒化物型 (CIGS) 太陽能電池的製作流程(續) 銦、鎵、硒蒸鍍MoMoMoMo23(InGa) SeCu-richCIGSIII-richCIGSGuSeInGaSeGu/III0.80.9銦、銅、硒蒸鍍(b) 蒸鍍法InGaSe硒化硫化玻璃基板玻璃基板玻璃基板MoMoMoCu-GaCIGSCIGSln(c) 硒化法8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能

21、電池21在銅銦鎵硒基太陽能電池方面，其製作的方法：在銅銦鎵硒基太陽能電池方面，其製作的方法：真空蒸著法真空蒸著法 (Vacuum Evaporation)(Vacuum Evaporation)真空共蒸著法真空共蒸著法 (Coevaporation)(Coevaporation)電鍍蒸著法電鍍蒸著法微顆粒沉積法微顆粒沉積法化學浴沉積法化學浴沉積法 (Chemical Bath Deposition, CBD)(Chemical Bath Deposition, CBD)網版印刷法網版印刷法噴霧沉積法噴霧沉積法金屬有機化學沉積法金屬有機化學沉積法 (Metallic Organic Chemic

22、al (Metallic Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)Vapor Deposition, MOCVD)分子束磊晶法分子束磊晶法 (Molecular Beam Epitaxy, MBE) (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 2518 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池22不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又不同化學式的以及物理式的製程技術，其中真空蒸著法又稱之為硒化法稱之為硒化法 (Selenization) (Selenization) 硒化法以及真空共蒸著法，是最常

23、見而使用製作銅銦鎵硒硒化法以及真空共蒸著法，是最常見而使用製作銅銦鎵硒基基 (CIGS) (CIGS) 太陽能電池，而且它們各自地有各自的優缺點，太陽能電池，而且它們各自地有各自的優缺點，如表如表8-18-1所示所示 2518 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池23在薄膜沉積以及形成的過程，為了瞭解、分析、以及掌控在薄膜沉積以及形成的過程，為了瞭解、分析、以及掌控薄膜的即時狀況薄膜的即時狀況 (Real-Time Condition)(Real-Time Condition)，主要的分析設，主要的分析設備以及其相關的量測儀器，有電子衝擊發射光譜儀備以及其相關的

24、量測儀器，有電子衝擊發射光譜儀 (Electron Impact Emission Spectroscopy, EEIS)(Electron Impact Emission Spectroscopy, EEIS)、原、原子吸收光譜儀子吸收光譜儀 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)(Atomic Absorption Spectroscopy, AAS)、四極質量光譜儀四極質量光譜儀 (Quadrupole Mass Spectrometer, QMA)(Quadrupole Mass Spectrometer, QMA)、歐傑電子光譜儀歐傑電子光譜儀 (

25、Auger Electron Spectroscopy, AES)(Auger Electron Spectroscopy, AES)、X X射線光電子光譜儀射線光電子光譜儀 (X-Ray Photoelectron (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)Spectroscopy, XPS)、原子力顯微鏡、原子力顯微鏡 (Atomic Force (Atomic Force Microscopy, AFM)Microscopy, AFM)、掃瞄穿隧顯微鏡、掃瞄穿隧顯微鏡 (Scanning (Scanning Tunneling Microscopy, STM)Tunneling Microscopy, STM)。 2538 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池24254三階段式的一階段式的真空蒸著法兩階段式的兩層式的逆向式的圖8-10 II-VI族化合物薄膜太陽能電池的製作方法種類 8 8章章 銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池銅銦硒或銅銦鎵硒系列太陽能電池25在在CIGSCIGS基薄膜太陽能電池的製造廠商方面：基薄膜太陽能電池的製造廠商方面：有有Siemens Solar Industries (SSI) Siemens Solar In