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   日期：2008/8/12   來源：半導體科技    

Katherine Derbyshire, Contributing Editor

　當半導體工業邁入了第5個10年時，與其它以技術驅動為根本的領域相比較之下，此產業的最大優勢之一是在於它雄厚的基礎建設(infrastructure)。整體來說，整個積體電路(IC)工業在製造矽晶(silicon)互補式金氧半導體(CMOS)的相關製造技術上已經累積了相當可觀的經驗。然而，從製作鍺(germanium)通道到量子點(quantum dots)的其他元件技術，仍必須在此架構下運作才可進行，不可能另外複製。實際上，針對整個CMOS產業的規模而言，若想以其它技術來取代，其所面臨的障礙幾乎是無法突破的。

　當IC產業逐漸成熟之後，某些公司即開始尋找如何在新的領域上應用這些強健(robust)的製程技術。這些領域中最成功的例子之一就是平面顯示器(flat panel displays，FPDs)。除了在腕錶與可攜式電腦應用上之外，液晶顯示器(liquid crystal displays)目前已讓陰極射線管顯示器(CRT)失去了辦公室的市場，並且也逐漸地取代它們在客廳中的地位。

　很多公司都期望太陽光電(photovoltaic)元件能成為半導體製造商下一個巨大的市場。終究而言，太陽能電池每年消耗了約8百萬平方米的矽，而積體電路僅使用約5百萬平方米。難道在矽製程上世界最先進的專家，不能協助太陽光電製造商降低成本並改善其效率嗎？

由於高油價與政府鼓勵的驅動，目前太陽光電產業正享受著每年超過30%空前的成長。然而，太陽光電製造廠的主要挑戰是如何有效地降低成本。若太陽能(solar energy)要能夠與其它電力來源相競爭的話，則其材料成本、製造成本與組裝成本均必須下降。

　如同Alain Harrus在Solid State Technology雜誌四月刊(第35頁，「半導體製程技術在太陽光電中發現了第二個生命」)中所敘述的，在IC產業中各式各樣的公司已經發現，目前最主要的矽晶太陽光電技術仍是承襲了過去所熟悉的材料與技術。這些公司過去在如何運用他們辛苦得來的專業知識解決矽晶製程上所面臨的技術問題上，已經擁有了不少的成功經驗。三月的時候，應用材料公司(Applied Materials)宣佈，Moser Baer India Ltd.公司已經選擇他們協助建立並組裝一條200百萬瓦(MW)產能的薄膜矽晶太陽光電生產線。

　然而，在太陽光電中很多最重要的發展，仍遠落後於矽晶產業的主流。矽晶材料供應的短缺，已經驅使了在其它材料投資上的激增。為了能積極地達到降低成本目標以及考量可攜式電子產品之需求增加，利用連續式(roll-to-roll)製程將低成本的太陽光電材料印刷於彈性基板上也已經成功地被開發出來。雖然這些設計仍無法與矽晶太陽能電池的效率相匹配，然而它們仍擁有它們獨特的應用途徑，譬如將其運用於屋頂材料及帳篷等等，它們都是矽晶設計無法著力的地方。

太陽光電元件是如何運作的
　矽晶太陽光電元件，就如同ICs的工作原理一樣是依賴p-n接面(junctions)相鄰處的載子(carriers)行為而動作。在太陽能電池中，載子是由光子(photon)的吸收所激發，而不是從電路的其它地方注入或由熱所產生。

　光子激發可在整個材料上隨機地產生載子。而掉進(或擴散到)環繞接面之空乏(depletion)區域的載子，則會被吸引到n型側(電子)或p型側(電洞)。而那些位在接面區域外圍的載子，最終將被釋放到底層的狀態，並以熱的方式釋放它們的能量。

　光電流(photocurrent)大體上是包括那些到達接面區域，而在回到接地狀態之前的載子。因此載子移動速率(mobility)與生命週期(lifetime)，就是其內部量子效率(實際上是吸收光子的部份所激發出的自由載子)的關鍵貢獻來源。然而，實質上其它的損耗(losses)也會大幅度地降低太陽能電池的效率。

　例如，大多數材料僅能吸收太陽光譜(spectrum)中的一部份，而其它部份則被反射或讓其直接穿過。而為了激發自由載子，一個吸收光子的能量必須超過其能階(band gap)，而該能階可以藉由任何摻雜物的離子化能量進行調整。圖一中顯示了矽晶的吸收光譜相對於太陽光譜的比較圖。如同大多數的太陽光電材料，矽晶在遠紅外線的範圍僅具有非常小的吸收特性。

　當入射光座落於材料本身的吸收光譜之範圍時，其吸收係數決定了此特定入射光可被完全吸收的厚度。就如同矽晶太陽光電之厚膜層中，幾乎所有具有適合能量的光子會全部被吸收。而在低吸收係數的薄膜層中，加入反射器與光捕捉結構有助於提昇此薄膜的的吸收率。

　並非所有經由吸收光子所產生的自由載子都會實際地到達太陽能電池的末端。其中一些將會在缺陷(defects)或不純物(impurity)處進行重新結合(recombine)，而其它部份在太陽能電池或其金屬接觸面(contacts)中碰到阻抗時，即會以熱的方式釋放其能量。銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)是一種透明氧化物，通常用來做為太陽光電元件與平面顯示器上層的薄膜電極，然而它是一種相當差的導體，因此具有衰減太陽能電池之淨值效率的作用。因此，矽晶太陽光電通常會使用網格狀式的金屬接觸電極來作替代。正因為它們是不透明的，運用此接觸電極反而會降低太陽光的吸收，不過其接觸阻抗則得到了改善。

　在元件接觸點上的金屬/半導體接面，是一個重要的電阻性損失的來源，特別是在其它不是矽晶的太陽光電材料上。假如接觸面金屬的功函數接近半導體導電帶(conduction band)的能量時，其電子則能夠很容易地流經該接面。若其功函數接近其價電帶(valence band)的能量時，其電洞則可容易地流過。假如半導體的主要載子(majority carriers)之能量與金屬的功函數之間，具有很大的不匹配時，則該接面將會成為一個類似二極體而阻止了載子的自由流動。

　當所有相關因素都被考慮到時，就算是最好的矽晶太陽能電池也只能達到約25%的淨質效率。Shockley與Queisser[1]主張單接面矽晶太陽能電池的最大理論效率質約在31%附近。而在組裝模組的過程中將太陽能電池連接到所需的電路負載時，則會造成10%或更多的額外損失。而利用多重接面以克服熱力學限制的設計，則可將太陽能電池的效率提高到36%。儘管如此，矽晶太陽光電已不大可能達到更重大的效能改善了。而取而代之的是，太陽光電製造商正專注於藉由更有效率地使用原料及增加產量以擴大經濟規模等方法來降低成本。

　薄膜太陽光電設計很有吸引力的，因為它們不必完全依賴傳統太陽能電池成分中最昂貴的矽晶圓。取而代之的是，製造商希望能將太陽光電薄膜沈積在金屬箔片、塑膠膜，以及其他不昂貴又有彈性的基板上。

CIGS引導出大量的薄膜元件
　薄膜太陽光電的設計，雖然還無法達到等同於矽晶太陽能電池的效率，但其最佳的設計已使兩者的距離開始逐漸拉近了。銅銦鎵二硒(copper indium gallium diselenide，CIGS)在實驗室的條件下已可達到19%的效率，而且仍保持了薄膜太陽能電池的效率記錄。但是如同於矽晶太陽能元件一樣，當薄膜太陽能元件整合到完整的模組中時，其淨值效率會嚴重地降低。目前美國國家再生能源實驗室(NREL)所測試到最佳的CIGS模組可達到約13%的效率。CIGS可達到如此高的效率，部份是因為它的高吸收係數。超過99%撞擊到薄膜的光線，會在大約第一個微米以內即被吸收[2]。CIGS太陽能電池的能階可藉由以不同銦鎵比例來進行調整，以期望與特殊應用中所需的發光能階相匹配。例如，零售貨架等室內應用與室外應用所需之發光光譜則大不相同。

　一般的CIGS太陽能電池(圖二)是依賴n型硫化鉻(CdS)層，與吸收光線的p型CIGS層之間的異質接面(heterojunction)來運作的。高CIGS吸收係數在這裡也是有所幫助：薄吸收層可降低載子在到達p-n接面之前就會因重新結合而損失掉的風險。而對於CIGS的商品化方面很不幸的是，CdS是一種毒物及致癌物。雖然適當的太陽能電池設計可將環境污染的風險最小化，不過在使用這種材料時會增加整個CIGS供應鏈上的額外成本，以及法規的限制。在標榜以對環境友善為關鍵優點之一的產品中，使用毒性材料是特別有問題的。
　
　實驗室規模的CIGS太陽能電池，通常是將其組織成份一起進行共同蒸鍍(co-evaporation)。但是這種方法會浪費掉大部分的材料，並且在鍍到目標基板的同時，也會鍍在製程腔壁上。而所需的真空腔體也會大大地增加設備成本。

　CIGS技術的商品化仍僅是初步的階段。有關CIGS銷售的統計目前很難找到，但以此材料為主之相關整體薄膜技術加起來也僅佔了全球太陽光電市場佔有率的7%。薄膜矽晶則佔了此部份超過80%的市場佔有率。儘管如此，很多公司仍然嘗試運用不同的創新方法製作CIGS太陽能電池。GlobalSolar公司提供以利用連續式製程，在幾千呎長的不銹鋼箔片或聚亞醯胺(polyimide)膜上製造CIGS太陽能電池。Nanosolar公司則宣稱已經開發出可列印式CIGS墨水，此墨水主要是以所需成份比例的奈米粒子所組成。Nanosolar公司目前正在加州聖荷西建立其所宣稱世界最大的太陽能電池工廠，並計劃在今年開始量產。

　雖然運用在CIGS商品化的製造製程是相當獨特的，不過太陽能電池本身仍是以傳統熟悉的方式在運作，如等同於傳統矽晶太陽能電池一樣仰賴同樣的物理基礎。若再往更遠的水平來看，全新的特性可藉由其它具潛力的設計開發出來。於1991年時發明的染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell，DSSC)，是依據更接近於光合成(photosynthesis)的方式，而不是以傳統p-n接面的光電化學製程(photoelectrochemical process)所產生[3]。

　在傳統的太陽光電元件中，同樣的材料會執行太陽光吸收與載子傳輸的角色。在矽晶太陽能電池中，矽提供了光子激發的載子，並將它們傳輸到外部電路去。CIGS太陽能電池則使用二種傳輸材料，但CIGS膜層仍是負責太陽光的吸收。

DSSC：太陽能電力的新方法
　相反地，在DSSC中，這二個角色是由二種不同的材料所執行。首先，一層通常是利用ruthenium polypyridine成份為染料(dye)層以作吸收入射太陽光之用。然後它再將電子從染料層射入到二氧化鈦(TiO2)粒子中(請參閱圖三)。

　然後二氧