綠 色 光 電 材 料 技 術 與 產 業 趨 勢

綠 色 光 電 材 料 技 術 與 產 業 趨 勢
翁 敏 航 博 士
mhweng@mail.mirdc.org.tw
2005/11/24 1

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

Background
1. 自 從 工 業 革 命 以 來 , 人 類 的 經 濟 活 動 大 量 使 用 化 石 燃 料 , 已 造 成 大 氣
中 二 氧 化 碳 等 溫 室 氣 體 的 濃 度 急 速 增 加 , 產 生 愈 來 愈 明 顯 的 全 球 增
溫 、 海 平 面 上 升 及 全 球 氣 候 變 遷 加 劇 的 現 象 , 對 水 資 源 、 農 作 物 、 自
然 生 態 系 統 及 人 類 健 康 等 各 層 面 造 成 日 益 明 顯 的 負 面 衝 擊 。
2. 現 今 人 們 主 要 依 賴 的 傳 統 能 源 存 量 有 限 , 依 估 算 , 石 油 儲 藏 量 剩 下 1
兆 338 桶 , 可 使 用 43 年 ; 天 氣 然 儲 藏 量 剩 下 146 兆 立 方 公 尺 ; 可 使 用
62 年 ; 煤 儲 藏 量 剩 下 9842 億 噸 , 可 使 用 230 年 ; 鈾 儲 藏 量 剩 下 395 萬
噸 , 可 使 用 64 年 。 另 外 , 傳 統 排 放 CO 2 更 是 嚴 重 造 成 地 球 暖 化 的 問
題 , 目 前 地 球 平 均 溫 度 比 20 年 前 高 0.2℃ 以 上 。 因 此 增 加 無 污 染 能 源
之 開 發 與 使 用 , 是 攸 關 人 類 生 活 與 生 存 之 重 要 努 力 方 向 。
1928 年 與 2004 年 阿 根 廷 的 冰 河 消 退 對 照
資 料 來 源 :Renewable Energy The Solution to Climate Change,www.erec-renewables.org

Background
•1997 年 京 都 議 定 書 , 要 求 工 業
國 家 降 低 CO 2 排 放 量
• 平 均 傳 統 能 源 發 電 之 CO 2 排 放
量 530 噸 /GWh
• 太 陽 光 電 發 電 製 造 之 CO 2 排 放
量 僅 5 噸 /GWh
Photo: NASA
地 球 的 污 染 日 愈 嚴 重 , 溫 室 效 應 使 得 地 球 的 平
均 氣 溫 一 直 升 高 !!

Background
京 都 議 定 書
由 36 個 工 業 國 共 同 訂 定 法 律 規 範 約 束 溫 室 氣 體 的 排 放 量 。
2008-2012 年 降 低 排 放 總 量 到 1990 年 水 準 5.2% 以 下 。
各 國 皆 訂 定 達 成 使 用 再 生 能 源 比 例 佔 總 體 佔 總 體 使 用 能 源
12%~15% 之 目 標 。
6 種 管 制 溫 室 氣 體
前 三 類 : CO 2 、 甲 烷 與 氧 化 亞 氮 - 回 到 1990 年 標 準 。
後 三 類 : 氫 氟 碳 化 物 、 全 氟 化 碳 與 六 氟 化 硫 - 回 到 1995 年 標
準 。

不 同 種 類 太 陽 電 池 效 率 發 展 狀 況
太 陽 電 池 種 類
半 導 體 材 料
Cell 轉 換
效 率
模 組 轉 換
效 率
矽
結 晶 矽
結 晶 矽
單 結 晶 ( 晶 圓 型 )
多 結 晶
( 晶 圓 型 、 薄 膜 型 )
14~24%
10~17%
10~14%
9~12%
非 晶 矽
非 晶 矽
a-Si、a-SiC、a-SiGe
8~13% 6~9%
化 合 物
半 導 體
III-V 族
II-VI 族
GaAs( 晶 圓 , 薄 膜 型 )
CdS、CdTe 薄 膜 型
18~30%
10~12%
有 機 半 導 體
多 元
3 素 CuInSe
化 合 物
2 ( 2 薄 膜 型 ) 10~12%
有 機 物 TiO 2 /Dye
7%

不 同 種 類 太 陽 電 池 效 率 發 展 狀 況

Air mass
P=1.367kWm -2 -the
solar constant – solar
radiation power outside
the Earth’s atmosphere

Operation of Solar Cells

各 代 太 陽 能 電 池 成 本 效 率 圖
第 一 代 矽 晶 太 陽 電 池 模 組 成 本 約
為 US$3.5/Wp
第 二 代 薄 膜 型 太 陽 電 池 模 組 成 本
約 為 US$1.0/Wp
第 三 代 新 型 有 機 太 陽 電 池 模 組 成
本 約 為 US$0.5/Wp (NT$:17)
Cost-efficiency analysis for first second-, and third-generation photovoltaic technologies (labeled I, II, and
III, respectively). Region IIIa depicts very-high-efficiency devices that require novel mechanisms of
device operation. Region IIIb—the region in which organic PV devices lie—depicts devices with devices
with moderate efficiencies and very low costs.

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

多 晶 矽 晶 片 與 多 晶 矽 太 陽 電 池
多 晶 矽 晶 片
多 晶 矽 太 陽 電 池

台 灣 太 陽 光 電 廠 商 供 應 情 形
Poly-Si
Material
Si Ingot & Wafer
Solar Cell
PV Module
PV System &
Installiation
Solar Grade Si
Single ; Poly-
Crystalline Si
Wafers
1.Wafer-based
Solar Cell- 單 晶 矽 、
多 晶 矽
2.Thin FlmSolar
Cell- 低 溫 多 晶 石 矽 、
DSSC
PV Modules
PV System-Iverter
PV Installation
PV Product
None
中 美 矽 晶
綠 能 科 技
合 晶 科 技
光 華 、 茂 迪 、
益 通 、 旺 能 、
昱 晶 、
新 日 光 、
威 士 通 奈 米 科 技
、 茂 矽
興 達 科 技
永 炬 光 電
日 光 能
中 國 電 器
系 統 電 子 、 飛 瑞 、
華 城 、 碩 升 、 茂 迪 、
光 華 、 冠 宇 宙 、 中 國 電
器 、 東 城 科 技 、 興 達 科
技 、 永 炬 光 電
、 中 興 電 工 、 太 陽 動
力 、 夏 普 光 電 、 京 瓷 、
永 旭 能 源 、 奈 米
龍 科 技
來 源 : 工 研 院

國 內 外 結 晶 矽 太 陽 電 池 公 司 比 較
Wafer
Sharp
★
(mc)
Sanyo
★
(sc)
Kyocera
★
(mc)
BP
★
(sc)
Shell
★
(sc)
Isofoton
★
(sc)
Photowatt
★
(mc)
RWE
Mitsubis
hi
Q-
Cell
茂 迪
益 通
ITRI
Cell
★
★
★
★
★
★
★
★
★
★
★
★
★
Module
★
★
★
★
★
★
★
★
★
System
★
★
★
★
★
★
★
★
sc-Cell
Eff.
17.5%
16%
--
15~
16.5%
15~
15.5%
14~15
%
--
14~
15%
--
--
--
13~
14%
16~
17%
mc-Cell
Eff.
16 %
--
14~15
%
14~15%
--
--
14%
--
15%
15.3
%
14~
15%
14~
15%
․ 大 廠 都 在 日 本 / 德 國 , 其 國 內 系 統 市 場 大 , 都 是 從 上 游 做 到 下 游 。 早 期 廠 商
有 投 入 Wafer, 但 現 在 不 再 擴 張 , 陸 續 有 許 多 太 陽 電 池 級 Wafer 廠 成 立 , 新
太 陽 電 池 廠 大 部 分 不 做 Wafer, 傾 向 專 業 分 工 。
․PVPV 用 量 多 的 國 家 都 有 許 多 Module 封 裝 廠 成 立 , 其 Cell 向 大 廠 拿 的 機 會 少 ( 大
廠 Cell 品 質 較 好 , 但 量 少 價 高 ),, 而 中 小 廠 之 Cell 品 質 參 差 不 齊 。

Convention Silicon based Solar Cells
單 晶 矽
(Single Crystalline Si)
太 陽 電 池 典 型 結 構 例 :
單 晶 矽
複 晶 矽
(Poly Crystalline Si)
可 撓 性 非 晶 矽
(Amorphous Si)

矽 太 陽 能 電 池 之 製 作 過 程

結 晶 矽 太 陽 電 池 降 低 成 本 50% 的 主 要 因 子
(2002 年 至 2012 年 )
• 效 率 由 17% 增 至 21%─Heterostructure
contacts
─Advanced cell designs
─High lifetime silicon
• 矽 晶 元 厚 度 由 280μm 降 至 120μm
• 太 陽 電 池 尺 寸 由 5 吋 增 至 8 吋
• 結 晶 成 長 技 術 的 改 良
• 切 割 技 術 的 精 進 : 降 低 kerf loss 由 200μm 至 130μm
• 工 廠 產 能 由 200MW/yr
增 至 500MW/yr
• 工 廠 高 度 的 自 動 化
資 料 來 源 :R.M. Swanson, A Vision for Crystalline Silicon
Solar Cells, SunPower Corp.

Solar Cell Efficiencies

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

Thin-Film Crystalline Silicon Solar Cell
Potential Substrate
• metallurgical-grade silicon
• stainless steel
• graphite
• ceramic
• glass

Si-based Thin Film Solar Cell
非 晶 矽 太 陽 能 電 池 起 始 於 1970 年 代 初 期 , 是 以 plasma CVD, 將 SiH 4 氣 體 製 備
之 非 晶 矽 薄 膜 , 被 發 現 具 有 可 吸 光 及 優 秀 的 光 傳 導 性 。 第 一 個 非 晶 矽 太 陽 能
電 池 是 1975 年 美 國 RCA 公 司 所 生 產 ( 效 率 2.4~5.5%)。
目 前 在 太 陽 能 電 池 市 場 佔 有 率 為 9.4%。 它 也 是 第 一 個 量 產 之 薄 膜 太 陽 能 電 池
, 面 積 0.25cm 2 的 大 小 電 池 在 實 驗 室 初 始 轉 換 效 率 已 達 15.2%,1 英 尺 大 小 見 方
商 品 化 模 組 效 率 可 達 10%。 然 而 , 一 般 市 售 商 晶 的 穏 定 效 率 約 為 8%。
由 於 非 晶 系 矽 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 範 圍 1.7eV。
此 類 型 電 池 最 大 的 缺 失 在 於 光 照 使 用 後 短 時 間 內 性 能 的 大 幅 衰 退 , 也 就 是 所 謂
的 S-W 效 應 , 其 幅 度 約 15 ~ 35%。
發 生 原 因 是 因 為 材 料 中 部 份 未 飽 和 矽 原 子 , 因 光 照 射 使 暗 電 流 隨 光 照 時
間 增 長 而 減 小 , 因 此 造 成 吸 收 效 率 減 低 。 若 在 170℃~200℃ 下 退 火 2 小
時 , 即 可 恢 復 原 狀 。
來 源 : 太 陽 能 工 程

Production capacity until 2010 in GWp/a for thin-film PV
technology
W.G.J.H.M. van Sark et al.
Energy Policy 35(2007)3121

荷 蘭 的 太 陽 較 喜 歡 非 晶 矽
Photon International, Nov. p11 2000
荷 蘭 能 源 研 究 中 心 測 試 結 論 : 非 晶 矽 太 陽 板
對 弱 光 較 為 敏 感 , 每 天 的 工 作 時 間 較 長 ,
因 而 其 全 年 度 總 發 電 量 比 其 他 類 型 太 陽 板
多 。
DC yield
Uni-Solar a-Si 1164 kWh/kW
Free Energy a-Si 1084 kWh/kW
BP Solar a-Si 1001 kWh/kW
BP Solar mc-Si 977 kWh/kW
ASE pc-Si 966 kWh/kW
Kyocera pc-Si 964 kWh/kW
Shell Solar pc-Si 961 kWh/kW
Siemens CIGS 963 kWh/kW
Siemens mc-Si 930 kWh/kW

太 陽 電 池 市 場 比 例 from EPIA
歐 洲 光 電 工 業 協 會 (EPIA)
Source: Materials net

Fabrication of Thin-Film Silicon Solar Cell
通 路
斷 路
SEMSC 78-647
a-Si solar cell interconnection

Issues of Thin-Film Silicon Solar Cell
透 明 導 電 玻 璃
CVD 沉 積 技 術
IR Laser Scribing
非 晶 矽 薄 膜 沉 積
PECVD 沉 積 技 術
Green Laser Scribing
金 屬 導 電 層 沉 積
Sputter 沉 積 技 術
Green Laser Scribing
封 裝 及 測 試
成 品
轉 換 效 率 較 低 約 5~7% 之 間
架 設 面 積 大 且 重
大 面 積 生 產 不 易
大 面 積 生 產 設 備 昂 貴 , 類 似 面 板 產 業 之 薄
膜 沉 積 設 備
市 場 佔 有 率 約 5%, 以 消 費 型 產 品 為 主
無 缺 料 問 題
價 格 較 單 多 晶 低 廉 , 約 US2.0~2.2/W p
Amorphous solar cell
and panel

Fabrication of Thin-Film Single junction a-Si Silicon Solar Cell
Oxide Coating
Patterning
Amorphous silicon film
Patterning
a-Si module
Metalization
Patterning
Polymer coating
Ref:Dr. M. J. Chiang

Plasma Enhanced CVD
Process
chamber
Wafer
Process
gases
Plasma
RF power
By-products to
the pump
Heated plate
Advantage: low temperature
Disadvantage: chemical (e.g. H 2 ) and particulate contamination, strong
condition dependence
Application: silicon nitrides, silicon oxynitrides, silicon oxide, PSG,
amorphous silicon

Ref:Dr. M. J. Chiang

Applied Materials Revolutionizes Solar
Module
• Applied adapted its production-proven CVD(a) and PVD(a) process systems to
build the most critical layers of the module, including its market-leading PECVD
that processes 5.7m 2 glass substrates for the flat panel display industry.
• The resulting area of 5.72 m 2 (2.2 by 2.6 meter) is four times the size of today's
largest thin film solar production panels, driving down costs and improving
productivity.
• In one year, the system can produce an amount of solar modules that generate 75
megawatts of electrical power.

Tandem Cells
– beyond efficiency limit
• Intrinsic efficiency limit using
single semiconductor material is 31%
•Stack different band gap junctions
in series larger band gap topmost
•Current output matched for
individual cells
Ideal efficiency for infinite stack is
86.8%
* A. Marti, G. L. Araujo, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 43
(1996) 203.

Tandem junction
Triple junction
Typical tandem and triple junctions solar cells cross
section structures
SEMSC 66-95

國 內 投 入 薄 膜 太 陽 能 電 池 廠 家
廠 商 技 術 來 源 設 備 來 源 初 期 產 量
大 豐 能 源 Chronar 自 行 開 發
10MW
鑫 笙 能 源 EPV EPV
5.5MW
聯 相 光 電 ULVAC ULVAC
12.5MW
綠 能 科 技 Applied Materials Applied Materials 30MW
旭 能 光 電 ULVAC ULVAC 25MW
富 陽 光 電 Oerlikon Solar Oerlikon Solar
其 它 ( 益 通 、 茂 迪 )

Current trend
• 聯 電 (2303) 與 日 本 真 空 技 術 集 團 (Ulvac) 合 作 , 透 過 在 太 陽 能 領 域 醞 釀 已 久
的 旗 下 轉 投 資 公 司 晶 能 , 投 入 薄 膜 非 晶 矽 太 陽 能 電 池 (a-Si) 及 微 晶 矽 (μc-Si )
領 域 , 有 效 避 開 目 前 多 晶 矽 (Poly-Si) 缺 乏 的 問 題 , 不 過 , 也 將 承 擔 一 般 薄 膜
轉 換 效 率 及 量 產 有 待 提 升 的 技 術 挑 戰 。
• 大 同 集 團 旗 下 的 太 陽 能 矽 晶 圓 廠 綠 能 科 技 , 與 美 商 應 用 材 料 (Applied
Materials) 簽 約 合 作 投 資 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 廠 。 這 計 劃 不 但 檯 面 上 動 作 大 , 作
業 上 也 正 在 積 極 地 進 行 。 在 太 陽 光 電 產 業 的 熱 力 影 響 下 , 綠 能 將 以 其 矽 晶 圓 的 事
業 做 跳 板 , 向 未 來 極 具 潛 力 的 薄 膜 太 陽 能 電 池 模 組 發 展 。
• 大 億 光 能 是 由 大 億 科 技 、NanoPV 及 國 內 設 備 大 廠 合 資 成 立 於 2007 年 7 月 。 大 億
光 能 將 與 NanoPV 合 作 量 產 薄 膜 太 陽 能 電 池 , 規 劃 於 第 一 期 完 成 10MW 產 能 之 建
立 , 預 計 於 2008 第 三 季 量 產 並 於 一 年 後 完 成 30MW 產 能 之 擴 充 , 主 力 產 品 為 高
效 率 奈 米 微 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 , 並 預 定 於 五 年 內 將 產 能 擴 充 至 200MW 以 上 ,
並 將 成 為 亞 洲 最 大 的 薄 膜 太 陽 能 電 池 供 應 商 之 一 。NanoPV 將 提 供 整 廠 生 產 技
術 、 設 備 、 與 產 品 認 證 給 大 億 光 能 。

Current trend
• 可 大 規 模 生 產 薄 膜 矽 太 陽 能 模 組 的 歐 瑞 康 (Oerlikon) , 以 新 型 的 KAI
1200M2 鍍 膜 設 備 開 發 微 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 組 件 大 規 模 生 產 時 所 需 的 技 術 , 該
產 品 包 含 了 非 晶 矽 和 微 晶 矽 兩 種 半 導 體 材 料 , 利 用 這 兩 種 材 料 的 互 補 特 性
可 以 提 高 太 陽 光 能 的 利 用 率 , 使 光 電 轉 換 效 率 比 單 純 的 非 晶 矽 電 池 高
50%。 該 公 司 於 2007 年 7 月 與 中 環 (CMC) 簽 定 了 提 供 40 毫 瓦 的 薄 膜 太 陽 能
電 池 生 產 線 合 約 ,9 月 更 提 供 位 於 德 國 Steinhagen 的 Inventux
Technologies 年 產 量 30 毫 瓦 的 生 產 線 。
• 光 寶 與 益 通 合 資 成 立 薄 膜 太 陽 能 廠 「 宇 通 光 能 」, 宇 通 光 能 將 座 落 於 台 南
科 學 工 業 園 區 , 雙 方 各 出 資 4.98 億 元 , 初 期 該 公 司 的 資 本 額 為 14 億 元 , 預
估 2008 年 將 提 升 近 40 億 元 , 該 公 司 主 要 以 專 注 研 發 轉 換 效 率 大 於 8.5% 之 雙
藕 合 (dual junction) 非 晶 / 微 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 , 而 非 傳 統 單 藕 合
(single junction) 非 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 。 預 估 估 2008 年 底 前 完 成 設 備 安
裝 , 初 期 單 條 線 的 產 能 為 60 百 萬 瓦 (MWp), 未 來 每 年 增 加 60MWp, 預 估
2010 年 轉 換 效 率 可 超 過 10% 以 上 。

Multiple-junction stacked
or tandem solar cells where
two or more currentmatched
cells are stacked
on top of one another
(a) Mixed-phase microcrystalline/amorphous
material;
(b) single-phase polycrystalline film

非 晶 矽 與 多 晶 矽 特 性 比 較

Issues of Thin-Film Silicon Solar Cell
• 目 前 薄 膜 太 陽 能 電 池 成 本 極 低 厚 度 約 3-5μm, 被 看 好 具 有 發 展 潛 力 。 目 前 成 熟 商 品 以
非 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 為 主 , 但 因 非 晶 矽 材 料 有 照 光 衰 減 問 題 , 且 效 率 較 低 , 用 於 發
電 模 板 較 少 。
• 未 來 將 研 究 目 標 , 鎖 定 在 多 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 或 微 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 所 取 代 。 實
驗 證 明 , 用 Poly-Si 或 μc-Si 代 替 a-Si 電 池 , 長 期 照 光 之 下 , 並 未 有 效 率 衰 退 現 象 。 因
此 , 發 展 晶 化 的 矽 基 薄 膜 太 陽 能 電 池 是 實 現 高 穏 定 、 高 效 率 、 低 成 本 的 最 佳 方 法 之
一 。
• 採 用 金 屬 誘 發 非 晶 矽 技 術 (metal-induced crystallization , MIC), 產 生 多 晶 矽 膜 ; 相 較 於
SPC 法 與 ELA 法 , 具 有 以 下 之 優 點
• 目 前 低 溫 晶 矽 薄 膜 常 見 之 問 題 為 :
(1) 薄 膜 誘 發 溫 度 過 高 ( 高 於 600℃)
(2) 薄 膜 結 晶 晶 粒 尺 寸 太 小 及 厚 度 太 薄
a. 較 低 結 晶 溫 度 (500℃ 以 下 )
(3) 薄 膜 金 屬 殘 留 量 過 多 ( 降 低 mobility)
b. 較 短 製 程 時 間 ( 少 於 1 小 時 )
(4) 載 子 移 動 率 過 慢 (1cm 2 / V-s )
c. 較 低 之 製 作 成 本 ( 可 適 用 於 一 般 玻 璃 上 )• 未 來 挑 戰 之 目 標 為 :
d. 較 碩 大 、 低 缺 陷 之 結 晶 晶 粒
(1) 降 低 薄 膜 誘 發 溫 度 ( 低 於 500℃)
(2) 提 高 薄 膜 誘 發 厚 度 ( 提 昇 至 1.5μm)
(3) 降 低 薄 膜 金 屬 殘 留 量 ( 低 於 10 17 cm -3 )
(4) 提 高 載 子 移 動 率 ( 提 昇 至 30cm 2 / V-s )

再 結 晶 型 多 晶 矽 技 術 -MIC
種 類 金 屬 再 結 晶 溫 度 (°C)
結 晶 時 間
(hr)
厚 度
(nm)
Ni 500 20 100
MIC
Au+Ni 470 20 200
Co 500 30 200
Al 500 0.5 50
MILC
FA-MILC
Pd 500 10 150
Au 400 10 100
Cu 500 1 100
Ge 480 12 100

鋁 與 矽 成 長 機 制
a-Si
Al
a-Si a-Si,nc-Si
Al
C-Si
Al,a-Si,nc-Si
Poly-Si
1. 當 a-Si 薄 膜 經 加 熱 退 火 時 ,a-Si 薄 膜 中 之 矽 開 始 分 解 , 矽 逐 漸 固
溶 擴 散 至 鋁 薄 膜 中 。 當 一 段 退 火 製 程 結 束 , 退 火 溫 度 開 始 下 降 時 ,
鋁 膜 中 的 矽 濃 度 漸 漸 趨 於 過 飽 和 。 當 矽 達 到 過 飽 和 之 後 , 單 晶 矽 便
在 鋁 膜 中 成 核 。 在 此 狀 態 下 可 發 現 晶 粒 邊 界 有 著 a-Si、Al 和 c-Si 的
三 種 不 同 的 結 晶 體 存 在 。
Al
Al,nc-Si
Poly-Si
Si-island
2. 當 c-Si 晶 粒 取 代 了 附 近 的 Al 層 而 生 成 c-Si 和 Al 層 的 結 晶 界 面 ,
在 Al 層 中 成 長 岀 Si 的 析 岀 物 , 並 且 在 Al 層 中 分 解 。 當 Al 因 a-Si 的
往 下 擴 散 作 用 而 受 到 衝 擊 被 迫 快 速 析 出 後 , 由 於 與 a-Si 和 其 他 晶 體
接 觸 之 關 係 ,Al 則 散 佈 在 a-Si 和 其 他 晶 體 之 間 。
Al
Si-island
3. 有 過 多 的 Si 時 , 則 容 易 產 生 poly-Si 的 結 晶 , 一 旦 有 一 個 連 續 不 斷
的 poly-Si 薄 膜 形 成 時 , 這 些 剩 餘 的 Si 則 慢 慢 結 晶 成 矽 島 而 連 接 在
poly-Si 薄 膜 上 。
Poly-Si
來 源 : 全 國 碩 專 士 論 文
4. 當 矽 島 形 成 後 , 我 們 就 可 以 得 到 一 個 完 整 的 poly-Si 薄 膜 , 且 其 薄
膜 較 為 均 勻 , 最 後 再 經 過 適 當 的 鋁 蝕 刻 後 則 可 呈 現 岀 最 後 均 勻 的
poly-Si 薄 膜 。

AIC bi-layer process
cross-section
a-Si/Al/SiO 2
/Si
substrate 之 薄 膜 沉 積 結
構 的 SEM 截 面 圖
cross-section
a-Si(250nm)/
Al(250nm)/SiO 2
/Si
substrate
試 片 在 500°C 持 溫 1 小 時
第 一 階 段 退 火 後 FE-
SEM 斷 面 圖 。 且 未 鋁 蝕
刻 。
cross-section
a-Si(250nm)/
Al(250nm)/SiO 2
/Si
substrate
試 片 在 500°C 持 溫 1 小
時 第 一 階 段 退 火 後 FE-
SEM 斷 面 圖 。 鋁 蝕 刻
完 成 。

Top view of SEM results of LTPS
annealed at 450℃ at the second steps
2 μm
2 μm
2 μm
(a)15min
(b)30min
(c)60min
Si
2 μm
2 μm
(d)120min
(e)240min
EDS

Typical electrical properties of AIC
thin film solar cell
•Martin A. Green etc.,” Very high efficiency silicon solar cells-science and technology,” IEEE Trans. Electron
Devices,vol. ED-46,pp1940-47,1999.

Quantum dots growth method
Si quantum dots
From: mark_hanna@nrel.gov

Nanowires using VLS
P.D. Yang et al., J. Am. Chem. Soc. 123, 3165 (2001)

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

DSSCs 之 結 構
1. 透 明 導 電 玻 璃
2. 多 孔 性 二 氧 化 鈦
3. 光 敏 化 染 料
4. 氧 化 還 原 系 統
5. 白 金 對 電 極

工 作 原 理
1. 染 料 分 子 吸 收 光 子 能 量 , 由 基 態 轉 變 為 激 發 態
dye (S) + light → dye*(S*)
2. 激 發 態 的 電 子 注 入 半 導 體 顆 粒 中
dye*(S*) + TiO 2 → e - (TiO 2 ) + oxidized dye(S + )
3. 氧 化 態 S + 與 還 原 劑 反 應 , 變 回 基 態 , 還 原 劑 則 被 氧 化
oxidized dye (S + ) + 3/2 I - (A - ) → dye (S) + 1/2 I 3 - (A)
4. 被 氧 化 的 還 原 劑 又 被 對 電 極 上 的 電 子 再 次 還 原
1/2 I 3 - (A) + e - (counter electrode) → 3/2 I - (A - )
Ref. Nature 414, 341 (2001)
高 效 率 的 染 料 敏 化 太 陽 電 池 需 求
1. 高 比 表 面 積 TiO 2
電 極
2. 具 適 當 HOMO-LUMO 電 位 、 低 bandgap 的
染 料
3. 高 催 化 能 力 的 陰 極 電 極
4. 快 速 氧 化 還 原 能 力 電 解 質
5. 寬 工 作 電 壓 的 溶 劑

TiO 2 / 染 料 / 電 解 質 之 能 階
Energy band gap:
(A) Dark
(B) lighting
LUMO (Lowest unoccupied molecular orbital)
HOMO (Highest occupied molecular orbital)
• 未 照 光 之 DSSC 沒 有 電 流 , 亦 即 TiO 2 \ 染 料 \ 電 解 質 介 面 之 間 並 不 存 在 電 位
差 , 故 其 費 米 能 階 (Fermai level,E F ) 可 視 為 一 自 由 電 子 混 成 的 平 衡 狀 態 。
• DSSC 照 光 後 , 染 料 吸 收 光 波 產 生 激 發 之 光 電 子 與 電 洞 的 分 離 , 同 時 造 成 電
位 差 , 此 電 位 差 即 為 TiO 2 之 CB 與 染 料 之 LUMO 混 成 能 階 (E F,n ), 相 對 染
料 之 HOMO 與 電 解 質 氧 化 還 原 電 位 (I - /I 3
-
之 E Redox) 的 混 成 能 階 (E F,p ) 之 電 位
差 (ΔV), 而 此 電 位 差 的 最 大 值 即 為 光 電 壓 的 最 大 值 。
• 由 此 可 知 染 料 的 HOMO 與 LUMO 能 階 與 電 荷 的 分 離 有 直 接 的 關 聯 , 如 圖
所 示 , 染 料 的 HOMO 能 階 必 須 低 於 電 解 質 之 氧 化 還 原 能 階 , 而 LUMO 必 須
高 於 TiO 2 之 CB 能 階 , 如 此 電 子 傳 輸 才 不 會 受 到 阻 礙 。

DSSC 中 的 電 子 傳 遞 過 程
電 子 從 光 敏 化 劑 傳 遞 至 半 導 體 之 速
率 主 要 受 到 以 下 兩 點 影 響 :
(1) 光 敏 化 劑 吸 附 至 半 導 體 表 面
的 結 構
(2) 光 敏 化 劑 的 LUMO 與 半 導 體
導 帶 之 間 的 能 隙 大 小

DSSCs 傳 輸 損 失 示 意 圖
(1) 逆 向 之 光 電 流
I 3-
+2e - (TiO 2
) → 3I -
(2) 注 入 TiO 2
的 電 子 與 表 面 染 料 基 態 之 電
洞 再 結 合
S + +e - →S
(3) 染 料 自 身 的 電 子 - 電 洞 對 再 結 合
(4) 電 解 質 中 的 離 子 傳 遞
(1) 、(2) 兩 步 為 決 定 電 子 注 入 效 率 的 關 鍵
步 驟

奈 米 太 陽 電 池 光 電 轉 換 率 理 論 極 限 值
Ref. 工 業 技 術 研 究 院

DSSCs 發 展 時 程

各 式 DSSCs 整 體 效 率 的 演 進

各 國 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 發 展 之 動 向

日 本 國 內 模 組 發 展 動 向

實 驗 設 計 - 實 驗 流 程
準 備 ITO 或 FTO 玻 璃
鍍 上 白 金 電 極
約 300~500nm
利 用 刮 刀 成 膜 法 製 備
二 氧 化 鈦 膜
貼 上 銅 膠 帶
450℃ 燒 結 去 除 有 機 物
浸 泡 染 料 24 小 時
Ex. N719、N3
貼 上 銅 膠 帶
以 3M 膠 帶 作 為 Spacer
將 上 下 電 極 夾 好
之 後 注 入 電 解 液
最 後 以 AB 膠 封 裝
電 性 量 測

TiO 2 工 作 電 極 製 作
濺 鍍 (sputtering)
濕 式 化 學 法 的 刮 刀 成 膜 法 (doctor blade method)
旋 轉 塗 佈 法 (Spin-coating method)
網 印 法 (screen printing)
Doctor blade method
Spin-coating method

低 溫 下 製 作 DSSCs
高 溫 退 火 為 製 作 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 不 可 缺 少 的 步 驟 , 因 此 為 了 能 夠 製 作 於 軟 性 基 板 上 , 有
人 利 用 剥 離 (lift-off) 技 術 , 製 作 於 低 溫 基 板 之 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 。 利 用 此 方 式 製 作 出 來 的 染
料 敏 化 太 陽 能 電 池 效 率 約 為 5.8%, 而 用 標 準 方 式 於 高 溫 退 火 所 製 作 出 來 的 為 7.3%。
Ref. nature materials VOL 4 AUGUST 2005

染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 之 工 作 電 極
• 一 個 有 效 率 的 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 , 首 先 即 是 扮 演 最 重 要 角 色 的 工 作 電 極 ,
它 必 需 要 能 提 供 染 料 ( 光 敏 劑 ) 吸 附 的 表 面 積 、 電 流 的 路 徑 , 還 必 需 要 具 有 多
孔 性 的 結 構 來 幫 助 電 解 質 的 擴 散 。
• 光 敏 染 料 分 子 化 學 吸 附 在 奈 米 級 半 導 體 TiO 2 表 面 , 將 提 高 光 電 陽 極 吸 收 太 陽
光 的 能 力 , 是 因 為 奈 米 級 TiO 2 粒 子 所 組 成 的 多 孔 結 構 , 顆 粒 小 (10-30nm)、 粗
糙 度 夠 大 (1000)、 比 表 面 積 也 大 (80m 2 /g), 能 夠 提 供 染 料 分 子 很 充 足 的
吸 附 面 積 面 積 , 故 即 使 粒 徑 表 面 的 染 料 只 有 一 層 , 所 表 現 出 來 的 吸 收 效 率 還
是 很 好 。
• 多 孔 性 的 TiO 2 薄 膜 塗 佈 在 導 電 玻 璃 表 面 時 , 膜 的 厚 度 通 常 是 數 微 米 到 數 十 微
米 , 而 將 來 商 業 應 用 性 的 要 求 是 希 望 其 TiO 2 薄 膜 能 夠 達 到 五 個 需 求 , 分 別
是 :(1) 高 比 表 面 積 (2) 多 孔 性 (3) 低 表 面 阻 值 (4) 高 穿 透 率 (5) 高 穩 定 性 等 。

TiO 2 簡 介
• TiO 2 有 三 種 結 晶 型 : 分 別 為 銳 鈦 礦 (Anatase)、 金 紅 石 (Rutile) 與 板 鈦 礦
(Brokkite)。
• 最 常 被 使 用 的 是 銳 鈦 礦 和 金 紅 石 , 又 以 銳 鈦 礦 晶 相 表 現 出 最 好 的 反 應 活 性 ,
兩 者 分 屬 低 溫 正 方 晶 形 和 高 溫 正 方 晶 形 , 可 藉 由 鍛 使 銳 鈦 礦 相 轉 變 成 為 金 紅
石 相 , 此 加 熱 過 程 造 成 二 氧 化 鈦 表 面 吸 附 的 水 分 子 、 羥 基 (OH - ) 和 比 表 面 積 變
少 而 造 成 活 性 減 小 , 且 銳 鈦 礦 具 有 較 高 的 電 子 傳 輸 速 度 , 故 在 太 陽 電 池 的 製
備 上 , 選 用 銳 鈦 礦 相 ,

常 見 TiO 2 的 兩 種 結 晶 型 態
• 二 氧 化 鈦 為 n 型 半 導 體 , 電 阻 很 高 但 是 隨 著 溫 度 逐 漸 上 升 其 電 阻 值 則 會 逐 漸 下
降 , 當 受 到 低 於 臨 界 波 長 的 光 線 照 射 後 , 可 激 發 價 帶 (valance band) 電 子 躍 遷 至
傳 導 帶 (conduction band) 而 產 生 電 子 - 電 洞 對 。 半 導 體 臨 界 波 長
Anatase 相 能 隙 為 3.2 eV, 吸 收 波 長 為 387.5 nm
Rutile 相 能 隙 為 3.0 eV, 吸 收 波 長 為 413.3 nm

銳 鈦 礦 (Anatase) 與 金 紅 石 (Rutile) 之 比 較
金 紅 石 (a, b) 與 銳 鈦 礦 (c, d) 塗 佈 在 導 電
玻 璃 上 退 火 500℃ 1 小 時 之 SEM 表 面 及
斷 面 圖
金 紅 石 和 銳 鈦 礦 薄 膜 照 射 680nm 的 光
其 電 子 擴 散 係 數 與 短 路 電 流 關 係 圖
由 圖 可 知 , 電 子 在 金 紅 石 中 的 傳 輸 比
在 銳 鈦 礦 中 慢
Ref. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8989-8994

染 料 之 發 展
• 染 料 色 素 性 能 的 優 劣 將 直 接 影 響 到 DSSC 電 池 之 光 電 轉 換 效 率 , 正 因 如 此 其 元 件 對 於
染 料 的 要 求 很 嚴 格 , 它 就 像 是 驅 動 分 子 內 電 子 的 馬 達 。
• 要 藉 由 光 激 發 TiO 2 而 致 反 應 , 須 要 低 於 388nm 之 紫 外 光 , 但 紫 外 光 所 佔 太 陽 光 能 中
只 有 6%, 故 必 須 利 用 染 料 幫 助 TiO 2 的 吸 收 波 長 提 高 到 可 見 光 區 。
• 因 此 染 料 能 藉 由 可 見 光 的 驅 使 電 子 發 射 至 TiO 2 半 導 體 電 極 , 並 接 受 來 自 電 解 質 的 電
子 。

染 料 所 需 條 件
• 緊 密 吸 附 在 二 氧 化 鈦 表 面 。 也 就 是 說 能 夠 快 速 的 達 到 吸 附 平 衡 且 不 易 脫 落 , 所 以 染
料 分 子 母 體 中 , 一 般 應 該 要 含 有 易 與 奈 米 半 導 體 表 面 結 合 的 基 團 , 如 -COOH、-
SO 3 H、-PO 3 H 2 。 如 染 料 上 之 -COOH 官 能 基 會 與 二 氧 化 鈦 膜 上 的 -OH 官 能 基 形 成 成 酯
類 ( 如 :N3、N719、Black dye), 使 電 子 轉 移 更 為 容 易 。
• 對 可 見 光 具 有 很 好 的 吸 收 特 性 , 即 是 能 吸 收 大 部 份 的 入 射 光 。
• 其 氧 化 態 (S + ) 和 激 發 態 (S * ) 要 具 有 較 高 的 穩 定 性 和 活 性 。
• 激 發 態 壽 命 足 夠 長 , 並 具 有 很 高 的 電 荷 ( 電 子 、 電 洞 ) 傳 輸 效 率 。
• 具 有 足 夠 的 激 發 態 氧 化 還 原 電 位 , 以 保 證 染 料 激 發 態 電 子 注 入 二 氧 化 鈦 導 帶 。
• 在 氧 化 還 原 過 程 ( 包 括 基 態 和 激 發 態 ) 中 要 有 相 對 低 的 勢 位 , 以 便 在 初 級 和 次 級 電 子
轉 移 過 程 中 的 自 由 能 損 失 最 小 。

目 前 效 率 最 好 的 染 料
Ru-polypyridine complex
RuL 2
(NCS) 2 RuL 2 (NCS) 2 :2TBA
(N3 Dye) (N719 Dye)
Fig. Asorbtion of N719 , Blcak dye
RuL’(NCS)3
(Black Dye)
Ref. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981-8987.

Ref. Progress in Photovoltaics: Research and
Applications, 15(1), 1-18 (2007).
其 他 具 有 高 穩 定 性 之 染 料
最 新 由 EPFL 團 隊 合 成 出 來 的 染 料 , 其 應 用 於 DSSC 具 有 高 效 率 高 穩
定 性 , 其 中 K-19 具 有 最 佳 效 能 及 穩 定 性 , 目 前 利 用 此 染 料 所 做 出 之
DSSC 可 達 8%

電 解 液 的 改 良
• 近 年 DSSCs 的 研 究 重 心 主 要 在 電 解 質 這 方 面 , 主 要 原 因 分 別 有 :
(1) 傳 統 碘 離 子 (I - /I 3- ) 電 解 質 溶 液 的 有 機 溶 劑 多 半 有 毒 性 , 其 滲 漏 與
揮 發 的 問 題 需 解 決 。
(2) 實 際 在 長 期 日 照 下 應 用 的 發 電 穩 定 性 與 熱 穩 定 性 有 待 加 強 。
(3) 嚴 密 的 封 裝 需 求 將 提 昇 製 程 成 本 。
(4) 柔 軟 材 質 上 的 應 用 困 難 。
(5) 有 機 溶 劑 對 染 料 吸 附 的 不 利 影 響

電 解 液 的 改 良
• 最 近 幾 年 由 於 離 子 性 液 體 (ionic liquids) 的 研 究 日 廣 , 對 於 電 解 質 溶 液 加 入
某 些 離 子 性 液 體 的 測 試 結 果 , 顯 示 離 子 性 液 體 的 確 對 DSSCs 的 穩 定 性 質 有
助 益 , 對 熱 與 長 期 日 照 發 電 表 現 出 良 好 的 穩 定 性 質 。
• 另 外 也 有 固 態 電 解 質 的 研 究 , 有 半 導 體 材 料 與 導 電 高 分 子 兩 個 主 要 方 向 ;
半 導 體 材 料 如 CuI、CuSCN 的 研 究 較 多 , 有 機 導 電 高 分 子 (conductive
polymers) 的 研 究 如 polyanilines (PANs)、polypyrroles (PPYs) 及 poly-
(phenylene vinylene) (PPV) 等 作 為 固 態 傳 導 物 質 。
• 以 及 與 離 子 性 液 體 共 同 發 展 成 擬 固 態 電 解 質 (quasi-solid state electrolytes) 的
研 究 , 近 年 來 逐 漸 受 到 重 視 , 這 些 固 態 電 解 質 的 共 同 缺 點 是 效 率 仍 有 待 提
昇 。 最 近 研 究 發 現 全 離 子 性 液 體 作 為 電 解 質 , 可 在 避 免 降 低 整 體 效 率 的 情
況 下 , 達 到 改 善 傳 統 液 態 電 解 質 的 缺 點 。

有 機 空 穴 傳 輸 材 料
1998 年 Grätzel 小 組 在 研 究 染 料 敏 化 介
孔 TiO 2
的 固 態 太 陽 能 電 池 中 , 利 用 N3
作 為 敏 化 劑 ,triphenyldiamideOMeTDA
(2,2,,7,7,-
tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylanime)-9,9,-spirobifluorene
作 為 空 穴 傳
輸 材 料 (HTM),IPCE 高 達 33%。
Ref. Nature 1998, 395, 583.

鑲 埋 量 子 點 之 研 究
利 用 量 子 侷 限 原 理 在 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池 中 鑲 埋 量 子 點 , 補 足 染 料 尚 未 被 吸 收 的 波
長 使 入 射 光 能 夠 更 充 分 的 被 利 用 產 生 更 多 光 電 流 。 半 導 體 量 子 點 材 料 例 如 :InP、
CdSe、CdS、PbS… 等 。
鑲 埋 量 子 點 InP 之 染 料 敏 化 太 陽 能 電 池
鑲 埋 量 子 點 InP 之 能 階 示 意 圖

新 型 DSSC 結 構 之 示 意 圖
子 計 畫 三
子 計 畫 一
子 計 畫 二

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

TCO 之 材 料
透 明 導 電 膜 材 料 主 要 可 分 為 兩 大 類
1. 薄 金 屬 膜
• Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh, 在 < 10nm 厚 度 的 薄
膜 , 均 有 某 種 程 度 的 可 見 光 透 光 度
• 早 期 使 用 之 透 明 電 極
• 缺 點 : 光 的 吸 收 度 大 、 硬 度 低 、 穩 定 性 差

TCO 之 材 料
2. 金 屬 氧 化 物 半 導 體 膜
→ 泛 指 具 有 透 明 導 電 性 之 氧 化 物 、 氮 化 物 、 氟 化 物
氧 ( 氮 ) 化 物 :In 2 O 3 、SnO 2 、ZnO、CdO、TiN
摻 雜 氧 化 物 :In 2 O 3 :Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (G
ZO)、ZnO:Al (AZO)、SnO 2 :F、TiO 2 :Ta
混 合 氧 化 物 :In 2 O 3 -ZnO、CdIn 2 O 4 、Cd 2 SnO 4 、Zn 2 SnO 4

TCO 之 材 料
第 一 個 TCO
1907 年 ,Badeker 發 現 金 屬 鎘 (Cd) 的 薄 膜 在 氧 化 後 具 有 透 明 又 導 電 的 性
質 。 之 後 更 繼 續 發 展 其 他 的 金 屬 氧 化 物 , 雖 然 金 屬 的 導 電 性 很 好 且 厚 度
100 Å 以 下 可 以 透 光 , 但 是 仍 不 及 金 屬 氧 化 物 的 透 光 率 。
因 應 時 代 的 變 化 與 需 求 ……
仍 是 目 前 業 界 的 主
流 , 用 量 最 大
SnO 2
二 次 世 界 大 戰
除 霧 玻 璃
現 在 的 冰 箱 除 霧 玻 璃
ITO
TFT、LCD、 各 類 顯 示 設
備 、 大 面 積 除 霧 玻 璃
ZnO
最 有 可 能 取 代 ITO
之 材 料 最 多 人 看 好
的 、 同 時 最 多 人 研
究

TCO 之 材 料
中 文 名 稱 : 銦 錫 氧 化 物
英 文 全 名 :Indium Tin Oxide(ITO)
成 分 : 摻 雜 錫 之 銦 氧 化 物 (Tin-doped
Indium Oxide)
年 代 :1934 年 被 美 國 銦 礦 公 司 最 早 合 成 出
來
世 界 最 大 ITO 薄 膜 製 造 國 : 日 本
選 用 率 : 在 TCO 材 料 中 ,75% 應 用 在 平 面
顯 示 器
主 要 應 用 : 平 面 顯 示 器 、 透 明 加 熱 元 件 、
抗 靜 電 膜 、 電 磁 波 防 護 膜 、 太 陽 能 電 池 之
透 明 電 極 、 防 反 光 塗 佈 及 熱 反 射 鏡 (heat
reflecting mirror) 等 電 子 、 光 學 及 光 電 裝
置 上 。
Good:
1. 電 性 : 低 電 阻 率 1.5×10 -4 Ω-cm
2. 光 性 : 於 可 見 光 區 (380~780nm) 穿
透 率 80% 以 上
3. 對 玻 璃 基 板 的 附 著 力 強
4.Eg=3.75 eV
Bad:
1. 銦 礦 含 毒
2. 礦 量 短 缺
3. 價 格 昂 貴

TCO 之 材 料
氧 化 鋅 之 性 質
• 氧 化 鋅 為 II-VI 族 的 寬 能 隙 半 導 體
•Eg=3.3 eV
• 結 構 為 閃 鋅 礦 結 構 (Wurzite
hexagonal structure)
• 屬 於 六 方 最 密 堆 積
• 具 有 寬 能 隙 , 使 得 其 在 可 見 光 範
圍 具 有 高 透 光 率 。
氧 化 鋅 之 纖 鋅 礦 結 構 (wurzite structure)

TCO 之 材 料
不 同 的 摻 雜 物 對 於 ZnO 薄 膜 的 特 性 比 較
Good
Dopant
Dopant
Content
(wt%)
Resistivity ×10 -4
(Ω。cm)
Carryier
Concentration ×10 20
(cm -2 )
Al 2 O 3 1-2 0.85 15.0
Ga 2 O 3 2-7 1.2 14.5
B 2 O 3 2 2.0 5.4
Sc 2 O 3 2 3.1 6.7
SiO 2 6 4.8 8.8
V 2 O 5 0.5-3 5.0 4.9
F 0.5 4.0 5.0
None 0 4.5 2.0

TCO 之 材 料
其 他 代 表 性 TCO
Thin film
Dopant
ZnO Al . Ga. B. In. Y. Sc. V.
Si. Ge. Ti. Zr. Hf
CdO
In. Sn
In 2 O 3
Sn. Ge. Mo. Ti. Zr. Hf.
Nb. Ta. W. Te
Ga 2 O 3
Sn
SnO 2
Sb. As. Nb. Ta
TiO 2
Nb. Ta.
MgIn 2 O 4
GaInO 3 (Ga.In) 2 O 3 Sn. Ge
CdSb 2 O 6
Y
Zn 2 In 2 O 5 Zn 3 In 2 O 6
In 4 Sn 3 O 12
CdIn 2 O 4
Cd 2 SnO 4 CdSnO 3
Zn 2 SnO 4 ZnSnO 3

TCO 之 材 料
TCO
發 展
TCO 元
件 ?
目 前 較 常 見 的 TCO 皆 為 n-type 半 導 體 材 料
半 導 體 介 面
p-n
Metal/Smiconductor ( 歐 姆 、
蕭 特 基 )
p-i-n
Metal/Insulator/Semiconduct
or Heterostructure
Hot
p-type TCO
※ 電 洞 的 移 動 速 度 比 電
子 慢

TCO 之 材 料
p-type TCO Thin
CuAlO film 2
CuGaO 2
CuCrO 2
CuYO2
AgCoO2 CuAlO 2 薄 膜 厚 度 與 穿 透 率 關 係 圖
(a) 明 視 野 斷 面 微 觀 影 像 、(b) 高 解 析 原
子 影 像 圖 與 (c) FFT 分 析 圖
射 頻 共 濺 鍍 系 統 (RF co-sputtering deposition system) 成 長
CuAlO 2 薄 膜 ,90 W 與 120 W 濺 鍍 功 率 時 , 其 電 阻 率 分 別 為 66
與 201 Ω-cm, 載 子 濃 度 分 別 為 +4.2×10 16 /cm 3 與 +1.4×10 16 /cm 3
[ 潘 漢 昌 , 真 空 技 術 組 , 儀 科 中 心 簡 訊 85 期 中 華 民 國 97 年 2 月 29 日 出 版 ]

TCO 之 製 程
化 學 成 膜 法
• 熱 分 解
• 浸 沾

TCO 之 製 程
熱 解 法 中 最 常 用 的 為 噴 霧 熱 解 法
至 少 有 七 個 參 數 :
加 熱 器 溫 度
攜 帶 氣 體 的 流 量
噴 嘴 到 基 板 的 距 離
液 滴 大 小
液 滴 成 分
溶 液 的 流 量
基 板 通 過 加 熱 器 的 速 度

TCO 之 製 程
Spray pyrolysis deposition
ITO thin film
FTO thin film
FTO/ITO thin
film
InCl 3 4H 2 O+SnCl 2 2H 2 O in ethanol (for ITO)
SnCl 4 5H 2 O+NH 4 F in ethanol (for FTO)
[Takuya Kawashima, Tetsuya Ezure, Kenichi Okada, Hiroshi Matsui, Kenji Goto, Nobuo Tanabe.
Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2004) 199–202]

TCO 之 製 程
Chemical spray
AZO thin film
[H. Gómez-Pozos, A. Maldonado, M. de la L. Olvera , Materials Letters 61 (2007) 1460–1464]

TCO 之 製 程
The best : 1.75 Ω/sq
Spray pyrolysis deposition
SnO2:F
thin film
The best : 2.17 Ω/sq
SnO2:Sb
thin film
SnCl 2 2H 2 O+NH 4 F or SbCl 3 in methanol
[E. Elangovan, K. Ramamurthi, Applied Surface Science 249 (2005) 183–196]

TCO 之 製 程
Spray pyrolysis deposition
SnO 2 thin film
Ts:475 ℃[Sn4+]]:2 wt% in ethanol
Thin Solid Films 515 (2007) 8632-8636
Initial growth model of SnO 2 film ,arrow
Is [200]

TCO 之 製 程
Sol-gel 塗 膜 中 最 常 用 的 浸 沾 法 之 一
特 點 :
可 以 在 形 狀 不 規 則 的 物 體 表 面 或 基 板 的 兩 面 成 膜
膜 厚 可 以 低 到 數 nm
操 作 簡 單
缺 點 :
不 適 合 高 黏 度 流 體
操 作 不 穩 定
工 件 或 基 板 的 邊 緣 會 聚 集 塗 佈 液 , 使 塗 膜 不 均 勻 。

TCO 之 製 程
ITO thin film
Metallo-organic decomposition
[Ann-Christin Dippel , Theodor Schneller , Peter Gerber , Rainer Waser , Thin Solid Films 515 (2007)
3797–3801]

TCO 之 製 程
Grain growth
Physics V.S Chemical
AZO thin film
AZO thin film
Mlti-layer sol-gel technigue
Magnetron co-sputtered
1.As deposited(ρ, μ,n)
2.Anneal in H 2 at 300℃/I hr (ρ’, μ’,n’)
[Keh-moh Lin, Paijay Tsai1, Thin Solid Films 515 (2007) 8601–8604]
[Byeong-Yun Oh, Min-Chang Jeong, Jae-Min Myoung , Applied Surface Science 253 (2007) 7157–7161]

TCO 未 來 趨 勢 、 發 展
不 同 導 電 性 之 應 用
面 電 阻 (Ω/□)
應 用 產 品 領 域
< 1000 車 用 液 晶 顯 示 器 、 觸 控 面 板 、 隔 離 電 磁 波 玻 璃
40 ~ 300 液 晶 手 機 、 家 電 用 品 液 晶 面 板 、 太 陽 電 池 、 攜 帶 式 液
晶 電 玩 、 量 測 儀 器 用 之 顯 示 器 、EL
15 ~ 40 液 晶 彩 色 電 視 、 筆 記 型 個 人 電 腦 、 攜 帶 型 個 人 電 腦

TCO 未 來 趨 勢 、 發 展
電 致 變 色
京 都 議 定 書
Other devices…….
Solar E-paper Cell 由 36 (C-Si) 個 工 業 國 共 同 訂 定 法 律 規 範 約 束 溫 室 氣 體 的 排 放 量 。
HOT 2008-2012 年 降 低 排 放 總 量 到 1990 年 水 準 5.2% 以 下 。
各 國 皆 訂 定 達 成 使 用 再 生 能 源 比 例 佔 總 體 使 用 能 源 12%~15% 之 目
標 。
6 DSCs 種 管 制 溫 室 氣 體
DSCs
前 三 類 : CO 2 、 甲 烷 與 氧 化 亞 氮 - 回 到 1990 年 標 準 。
後 三 類 : 氫 氟 碳 化 物 、 全 氟 化 碳 與 六 氟 化 硫 - 回 到 1995 年 Phone 標 準 。
TFT LCD Flexible displays
PDA
Flexible OLED display
寰 宇 顯 示 公 司 之 產 品

TCO 未 來 趨 勢 、 發 展
TFT 半 導 體
材 料
透 明 氧 化 物 非 晶 矽 低 溫 多 晶 矽 透 明 氧 化 物
TFT 的 特 性
HOT
TFT 元 件
載 子 移 動
率
1~100
cm 2 /Vs
1 cm 2 / Vs
以 下
50 ~100
cm 2 / Vs
開 關 特 性 0.09~0.6
V/dec
0.4~0.5
V/dec
0.2~0.3
V/dec
源 極 與 汲 10 -13 A 以 下 10 -12 A 前 後 10 -12 A 前 後
極 間 的 漏
電 流
TFT 特 性 差 小 小 大
距
OLED 用 TFT 4~5 mask 4~5 mask 5~9 mask
製 程
製 造 成 本 低 低 高
產 率 高 ( 評 估 ) 高 低
TFT 長 期 可 不 明 低 高
靠 度
製 成 溫 度 室 溫 ~350℃ 250℃ 前 後 250℃ 以 上
適 用 可 能
之 顯 示 器
種 類
電 子 紙 、 液
晶 OLED
液 晶 等
液 晶 、 小 型
OLED
性 能 條 件 , 足 夠 滿
足 作 為 TFT
電 路 特 性 差 異 不 需
要 補 償 , 成 本 低 、
高 產 率
有 機 會 朝 向 塑 膠 基
板 發 展

TCO 未 來 趨 勢 、 發 展
TCO
目 標
特 性 提 高
電 阻 率 、 透 光 率
降 低 成 本
New TCO:
CaO, Al 2 O 3 , SiO 2
HOT
HOT
HOT
HOT
透 明 電 路
透 明 電 晶 體
發 光 二 極 體
綠 色 能 源
液 晶 顯 示 器
低 溫 製 程
感 測
低 溫 製 程 可 節 省 不 必 要 的 能 源 浪 費
且 對 發 展 可 撓 性 基 板 有 利
PDA………

主 題
• 背 景
• 第 一 代 晶 片 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 薄 膜 型 矽 基 太 陽 能 電 池 材 料
• 第 二 代 有 機 / 無 機 型 太 陽 能 電 池 材 料
• 透 明 導 電 薄 膜 材 料
• 結 論

獨 立 型 系 統 應 用 示 意 圖

併 聯 型 住 宅 用 太 陽 光 發 電 系 統

全 球 太 陽 光 電 市 場 蓬 勃 發 展 ,PV 被 認 為 最 具 發 展 潛 力 的 再 生 能 源 。 近 四 年 太 陽
電 池 年 平 均 成 長 率 達 35.8% , 太 陽 光 電 系 統 裝 置 量 的 成 長 也 達 30% 以 上 。
不 論 太 陽 電 池 或 太 陽 光 電 系 統 , 均 有 價 格 普 及 化 的 趨 勢 , 預 估 至 2015 年 太 陽 光
電 系 統 每 度 電 的 發 電 成 本 將 可 達 新 台 幣 5~8 元 , 屆 時 足 與 傳 統 電 力 相 競 爭 。
預 估 2010 年 將 達 42.3 億 美 元 ,2020 年 達 488.5 億 美 元 。
成 長 動 力 來 自 環 境 意 識 的 提 高 , 各 國 對 太 陽 光 電 的 獎 勵 補 助 及 再 生 能 源 相 關 法
案 的 實 施 , 導 致 對 太 陽 電 池 的 需 求 激 增 。
目 前 世 界 上 太 陽 電 池 的 產 能 嚴 重 不 足 , 各 主 要 PV 生 產 廠 商 ( 尤 其 是 日 本 ), 擴 廠
動 作 非 常 積 極 。
全 球 PV 市 場 現 況 與 趨 勢

太 陽 光 電 技 術 與 產 業 關 聯 圖
太 陽 光 電
技 術
結 晶 矽 太
陽 電 池
*SG 矽 晶 片 製 造
+ 太 陽 電 池 元 件 製 作
*/< 半 導 體 製 程 設 備
(CVD, Furnace, Etcher,
Screen Printer,…)
+ 小 型 UPS Inverter
< 與 市 電 併 聯 型 Inverter
< 大 型 儲 電 系 統 Inverter
薄 膜 太
陽 電 池
*/< 真 空 鍍 膜 設 備
(CVD, PVD,…)
*/< 薄 膜 材 料 製 作
(a-Si, Poly-Si, TCO,
Metal, CuInSe 2
,…)
*/< 太 陽 電 池 元 件 製 作
+ 設 計 監 測
+ 配 電 盤
+ 支 撐 架
+ 施 工 ( 配 線 / 架 設 )
+ 電 表
太 陽 電 池
模 組 封 裝
< 封 裝 材 料 (EVA, Tedlar
高 分 子 材 料 , 低 鐵 強 化 玻 璃 )
< 封 裝 設 備 ( 壓 合 機 , 悍 接 機 ,
照 光 I-V 測 試 機 ,...)
+ 太 陽 電 池 模 組 封 裝 製 作
< 可 靠 性 與 穩 定 性
測 試 規 範 與 設 備
+ 電 子 消 費 性 產 品
+ 照 明 ( 路 燈 , 庭 園 燈 ,
交 通 標 誌 ,LED 看 板 ...)
< 交 通 工 具
+ 玩 具 , 充 電 器 ,...
建 築
無 污 染
能 源
電 力 調 節 器
(Power Conditioner)
發 電 系 統
應 用 產 品
科 技 成 熟 度 之 標 註 :
+: 我 國 已 有 之 產 品 或 技 術
*: 我 國 正 發 展 中 之 產 品 或 技 術

太 陽 電 池 材 料 特 性 與 重 點 技 術
結 晶 矽 太 陽 電 池 是 目 前 及 未 來 10~20 年 的 市 場 主 流
能 量 轉 換 效 率 與 生 產 成 本 是 主 要 關 鍵 , 是 各 國 積 極
投 入 研 發 想 有 所 突 破
與 建 築 物 融 合 成 為 建 材 是 產 品 應 用 的 發 展 趨 勢
政 府 示 範 系 統 補 助 推 動

太 陽 電 池 材 料 特 性 與 重 點 技 術
高 效 率 低 成 本 結 晶 矽 太 陽 電 池 技 術 開 發
薄 膜 微 晶 矽 / 非 晶 矽 太 陽 電 池 技 術 開 發
建 材 一 體 型 太 陽 電 池 模 板 封 裝 技 術 開 發
次 世 代 新 型 太 陽 電 池 材 料 與 結 構 設 計 技 術 開 發
太 陽 電 池 模 板 封 裝 、 檢 測 技 術 開 發
太 陽 電 池 系 統 設 計 與 監 測 技 術 開 發

我 國 太 陽 光 電 產 業 面 臨 之 關 鍵 問 題
上 游 週 邊 產 業 尚 未 建 構 完 整
•Solar Grade Silicon /PV Ingot 國 內 欠 缺
•Wafer 僅 中 美 矽 晶 ( 為 n-type 矽 晶 錠 )
• 上 游 成 本 太 高
( 包 括 材 料 成 本 與 設 備 攤 提 )
太 陽 電 池 國 家 標 準 與 認 證
制 度 尚 未 建 立
• 無 法 取 得 系 統 廠 商 信 任
• 產 品 驗 証 期 長
• 大 陸 劣 質 應 用 產 品 充 斥 市 場
上 中 下 游 產 業 整 合 度 不 足
• 系 統 標 準 與 施 工 規 範 認 證 制 度 尚 未 建 立
• 太 陽 電 池 廠 與 系 統 應 用 廠 商 重 疊 高 , 但
技 術 領 域 與 專 業 人 才 並 不 相 同 , 無 法 設
計 高 效 率 系 統 及 開 拓 產 品 優 勢
國 內 太 陽 光 電
產 業
先 進 技 術 能 力
與 人 才 不 足
材 料 進 口
• 併 聯 與 回 售 電
機 制 未 建 立
• 建 築 相 關 法 規
傳 統 能 源 系
統 的 優 勢 競 爭

Acknowledge:
Prof. Ru-Yuan Yang( 楊 茹 媛 教 授 ) (NPUST)