关于太阳能发电电池的基础知识 二

　　最早开发此型光电池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅结晶层的厚度仅5~50毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求，不若硅晶圆型太阳能电池高，材料成本可进一步降低。由于硅材料不若其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此型光电池硅层膜，不若硅晶圆型太阳能电池硅层厚度约达300微米，为提高光吸收率，设计上需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜型光电池不同之处。

　　此类型光电池之制备方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、许多型式的化学蒸镀（CVD），包括低压与常压化学蒸镀（LP-CVD、AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（IA-CVD），以及热线化学蒸镀（HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界，虽然如此，一般咸信常压化学蒸镀，应具备发展为量产制程的可能性。上述蒸镀法，操作温度区间在300~1200℃，主要依据基材材料而定。

　　此型光电池光电效率实验室最高已达21﹪，市场上只有Astropower一家产品，当基材使用石墨时，效率可达13.4﹪，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大底有三个方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高温基材；三、将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备100㎝2，光电效率达16﹪的组件。整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。

　　此型光电池可是源自19世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过100年后的1991年，瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过7﹪的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

　　航融新能源受让了9个项目公司100%股份：井陉太科光伏电力有限公司、榆林太科光伏电力有限公司、刚察鑫能光伏电力有限公司、刚察绿能光伏电力有限公司、刚察祯科光伏电力有限公司、砚山太科光伏电力有限公司、宁夏吴忠太科光伏电力有限公司、淄博耀阳光伏电力有限公司、甘肃张掖汇能新能源开发有限责任公司；

　　此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。

　　此型电池的结构一般有两种，实验室制备的通常为三明治结构，上下均为玻璃，玻璃内源则为TCO。中间有两部份，包括含有染料的二氧化钛，以及溶有电解质的有机溶液。为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术，Gratzel等，于1996年发展出三层式的monolithic cell structure，采用碳电极取代一层TCO电极，各层的制备可直接沉积在另一层TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具挠屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可应用于此类型电池制备。德国的ISE公司已发展出包含网印方式的生产流程（如下图），制程非常简单。关于DSSC的制造成本，由于该型电池为新世代产品，目前并无量产市场，因此有不同的评估值，依据Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光电效率为基础，其制造成本约US$1.0~1.3/Wp（年产能5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996年的钴算则为US$2.2/Wp/year（年产能4MWp/year）；相较于技术开发较久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）两类型，成本差距似乎不大。

　　DSSC发展的最大利基，咸认在于其简单的制程，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。至于铂金属触媒以及染料，相信生产规模变大时，价格亦会下降。其次就如同其它部分薄膜光电池，因为可以使用具挠屈性基材，因此应用范围可大幅扩张，不似目前硅晶圆式，只适用于屋顶等少数场合。

　　未来DSSC如要成为具商业竞争力，甚至达到高市占率，仍有几件事需要证明：一、光电池本身的长期使用性。虽然实验室以较严苛条件测试，推估使用十年以上没有问题，但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。二、对大面积的制备技术，有待努力发展。目前此方面工艺研究投入较少。三、对整体电池模块细部的基础研究，仍有许多工作要做，此方面研究可促进产品质量与规格的确立。

　　高能阶差半导体，光稳定性较高，因此如能以此类物质取代二氧化钛，学理上应较易获得耐久性DSSC产品，关于这方面研究，有部分研究单位也积极投入，惟至今仍未获得良好成果。开发新式染料以取代目前公认最佳的染料，有机钌金属（简称N3），亦是一项热门研究主题。有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域，因此许多人相信经由适切的构思与系列实验，应有机会开发出吸光能力比N3好的有机染料，如此除可免除使用贵重的钌金属外，染料成本也可获得大幅降低。

　　太阳光电池产业在过去几年呈现35﹪的年成长率，市场以硅晶圆型光电池为最主要。其中原因除了硅晶圆光电池成本，因硅半导体产业的蓬勃发展之故，大幅下降外，人们对新能源的积极寻求也是原因。此外，量产规模的逐步建立是价格下降的主要因素。

　　典型的CdTe光电池结构的主体是由约2μm层的P-type CdTe层与后仅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收层主要发生于CdTe层，西光效率细数大于105㎝-1，因此仅数微米厚及可吸收大于90﹪的光子。CdS层的上沿先接合TCO，再连接基材，CdTe上沿则接合背板，以形成一个光电池架构。目前已知为制备高光电效率CdTe光电池，不论电池结构如何，均需要使用氯化镉活化半导体层，方法上可采湿式或干式蒸气法。干式法较为工业界所采用。

　　CdTe太阳能电池在具备上述许多有利于竞争的因素下，在2002年其全球市占率仅0.42﹪，2000年时全球交货量也不及70MW，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：ㄧ、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53﹪，其中半导体材料只占约5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。

　　最早开发此型光电池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅结晶层的厚度仅5~50毫米，可以次级硅材料、玻璃、陶瓷或石墨为基材。除了硅材料使用量可大幅降低外，此类型光电池由于电子与电洞传导距离短，因此硅材料的纯度要求，不若硅晶圆型太阳能电池高，材料成本可进一步降低。由于硅材料不若其它发展中光电池半导体材料，具有高的吸光效率，且此型光电池硅层膜，不若硅晶圆型太阳能电池硅层厚度约达300微米，为提高光吸收率，设计上需导入光线流滞的概念，此点是与其它薄膜型光电池不同之处。

　　此类型光电池之制备方法有：液相磊晶（liquid phase epitaxy，LPE）、许多型式的化学蒸镀（CVD），包括低压与常压化学蒸镀（LP-CVD、AP-CVD）、电浆强化化学蒸镀（PE-CVD）、离子辅助化学蒸镀（IA-CVD），以及热线化学蒸镀（HW-CVD），遗憾的是上述方法无一引用至工业界，虽然如此，一般咸信常压化学蒸镀，应具备发展为量产制程的可能性。上述蒸镀法，操作温度区间在300~1200℃，主要依据基材材料而定。

　　此型光电池光电效率实验室最高已达21﹪，市场上只有Astropower一家产品，当基材使用石墨时，效率可达13.4﹪，由于石墨材料价格昂贵，目前研究工作大底有三个方向：一、使用玻璃基材；二、使用耐高温基材；三、将单晶硅层半成品转植至玻璃基材。日本的三菱公司已成功运用此方法，成功制备100㎝2，光电效率达16﹪的组件。整体而言，此类型光电池系统的发展仍处于观念可行性验证时期，实验室制备技术是否能发展成具经济效应的量产程序，是人们关注的另一重点。

　　此型光电池可是源自19世纪，人们照相技术的理念，但一直到超过100年后的1991年，瑞士科学家Gratzel采用奈米结构的电极材料，以及适切的染料，组成光电效率超过7﹪的光电池，此领域的技术研究开发，才引起大家积极而热烈的投入。此项成功结合奈米结构电极与染料而创造出高效率电子转移接口的技术，跳脱传统无材料固态接口设计，可说是第三代太阳能电池。目前全世界有八家公司已得到Gratzel教授授权，其中包括了Toyota/IMRA、 Sustainable Technology International（STI）等著名公司。

　　此类型光电池的工作原理是藉由染料做为吸光材。染料中价电层电子受光激发，要升至高能阶层，进而传导至奈米二氧化钛半导体的导电层，在经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中电解质得到电子，电解质是由I/I3+溶于有机溶剂中形成。

　　此型电池的结构一般有两种，实验室制备的通常为三明治结构，上下均为玻璃，玻璃内源则为TCO。中间有两部份，包括含有染料的二氧化钛，以及溶有电解质的有机溶液。为利用已发展较成熟的其它薄膜光电池制备技术，Gratzel等，于1996年发展出三层式的monolithic cell structure，采用碳电极取代一层TCO电极，各层的制备可直接沉积在另一层TCO上。玻璃并非必然的基材，其它具挠屈性透明材料亦可使用，因此roll-to-roll的制程亦可应用于此类型电池制备。德国的ISE公司已发展出包含网印方式的生产流程（如下图），制程非常简单。关于DSSC的制造成本，由于该型电池为新世代产品，目前并无量产市场，因此有不同的评估值，依据Gratzel 1994年的估算，如以5﹪光电效率为基础，其制造成本约US$1.0~1.3/Wp（年产能5~10 NWp/year），Solaronix SA 1996年的钴算则为US$2.2/Wp/year（年产能4MWp/year）；相较于技术开发较久的CdTe（US$1.1/Wp，20MWp/year）、薄膜硅晶型（US$1.78/Wp，25 MWp/year）两类型，成本差距似乎不大。

　　DSSC发展的最大利基，咸认在于其简单的制程，不需昂贵设备与高洁净度的厂房设施。其次所使用材料二氧化钛、电解质等亦非常便宜。至于铂金属触媒以及染料，相信生产规模变大时，价格亦会下降。其次就如同其它部分薄膜光电池，因为可以使用具挠屈性基材，因此应用范围可大幅扩张，不似目前硅晶圆式，只适用于屋顶等少数场合。

　　未来DSSC如要成为具商业竞争力，甚至达到高市占率，仍有几件事需要证明：一、光电池本身的长期使用性。虽然实验室以较严苛条件测试，推估使用十年以上没有问题，但毕竟还是缺乏对商业产品长期使用的实测数据。二、对大面积的制备技术，有待努力发展。目前此方面工艺研究投入较少。三、对整体电池模块细部的基础研究，仍有许多工作要做，此方面研究可促进产品质量与规格的确立。

　　高能阶差半导体，光稳定性较高，因此如能以此类物质取代二氧化钛，学理上应较易获得耐久性DSSC产品，关于这方面研究，有部分研究单位也积极投入，惟至今仍未获得良好成果。开发新式染料以取代目前公认最佳的染料，有机钌金属（简称N3），亦是一项热门研究主题。有机染料化学是发展很久的一学术与产业领域，因此许多人相信经由适切的构思与系列实验，应有机会开发出吸光能力比N3好的有机染料，如此除可免除使用贵重的钌金属外，染料成本也可获得大幅降低。

　　太阳光电池产业在过去几年呈现35﹪的年成长率，市场以硅晶圆型光电池为最主要。其中原因除了硅晶圆光电池成本，因硅半导体产业的蓬勃发展之故，大幅下降外，人们对新能源的积极寻求也是原因。此外，量产规模的逐步建立是价格下降的主要因素。

　　环视未来，硅晶圆太阳光电池是否仍能持续长期主导市场？由薄膜电池的进展来看，答案可能是否定的。因为薄膜式电池技术进展很快，虽然发展出使用不同的复合半导材料，但彼此技术有可互相借镜之处。就降低成本而言，还有很多空间。反观目前硅晶圆式光电池，技术发展已臻成熟，其主要成本来自于硅晶圆材料，能进一步压缩成本的空间相当有限。此外，薄膜式光电池一般而言，其制造时所耗能源的回偿时间，通常不及传统硅晶圆式的一半（亦即小于十年），部分甚至小于五年，如非晶相硅薄膜光电池与染料敏化太阳能电池。加上薄膜式光电池所使用材料较少，故整体而言薄膜式光电池是较为环保且具能源效率的产品。

　　几种发展中薄膜光电池，或许受到使用毒性物质影响，有其发展限制；或者部份因使用天然储量有限元素，预期可能无法全面长期应用于提供人类能源之用，但其累积技术、经验却弥足可贵，一但新观念或材料产生，即可以发挥立即功效。这也是为何硅薄膜式或染料敏化式深受重视。两者均可应用发展多年的薄膜制备技术，而前者另外引用人们对硅多年累积经验，后者可藉人们对有机染料以建立的充沛知识。也因此，虽然两者都是薄膜式光电池发展起步较晚的技术，但可能也是最具产生全面影响潜力的技术。