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電池構(gòu)造系統(tǒng)說明書翻譯案例·新譯通翻譯公司 |
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新譯通翻譯公司--電池構(gòu)造系統(tǒng)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(fā)電做為動力供應(yīng)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(fā)電技術(shù)其成本畢竟高出傳統(tǒng)電力產(chǎn)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(guān)技術(shù)的研究，企求開發(fā)出新的物質(zhì)，能降低產(chǎn)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(yīng)用彈性大，如果技術(shù)能發(fā)展成熟，相信其市場面將較硅晶方式寬廣許多�；诖�，薄膜式太陽能電池的發(fā)展，在上一世紀僅展很快。
本文將就數(shù)種薄膜式太陽能電池，就技術(shù)面、發(fā)展?jié)摿εc可能瓶頸提出概括論述，由于篇幅限制以及個人才疏學(xué)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(chǎn)品－硅晶圓太陽能電池，簡述其以目前能在市場居于絕對優(yōu)勢的原因。
2.【硅晶圓太陽能電池】
自1954年貝爾實驗室發(fā)表了具備6﹪光電效率的電池后，隨著集成電路的發(fā)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(chǎn)能規(guī)模與利用率。
由于科技的進步，包括了晶圓厚度、切割技術(shù)、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(fā)電，單位瓦數(shù)（watt）成本已下降約50倍，目前價格約為US＄2.5
~ 3 / watt。依據(jù)美國國家再生能源實驗室的報導(dǎo)，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(tǒng)目前實驗室光電效率已達25﹪，與理論值29﹪非常接近。商業(yè)化產(chǎn)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(shù)成果，相對而言，是多數(shù)薄膜技術(shù)所不及之處。
生產(chǎn)成本往往深受生產(chǎn)規(guī)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(chǎn)能規(guī)模前者約是后者10倍，因此固定成本可大幅分攤。其次是產(chǎn)能利用率而言，目前硅晶圓式生產(chǎn)廠商，由于這幾年市場年年大幅成長，平均產(chǎn)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(chǎn)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(fā)展最完整的薄膜式太陽能電池。其結(jié)構(gòu)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(nèi)部電場，I層則由非晶系硅構(gòu)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(zhì)不同于結(jié)晶性物質(zhì)，結(jié)構(gòu)均一度低，因此電子與電洞在材料內(nèi)部傳導(dǎo)，如距離過長，兩者重合機率極高，為必免此現(xiàn)象發(fā)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(jié)構(gòu)堆棧方式設(shè)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(nèi)性能的大幅衰退，也就是所謂的SWE效應(yīng)，其幅度約15
~ 35﹪。發(fā)生原因是因為材料中部份未飽和硅原子，因光照射，發(fā)生結(jié)構(gòu)變化之故。前述多層堆棧方式，亦成為彌補SWE效應(yīng)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(xué)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(zhì)，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(zhì)量導(dǎo)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(yōu)勢的前提下，此類型光電池年產(chǎn)量再過去三年仍呈現(xiàn)快速成長，2003年相較于2002年成長了113﹪，預(yù)期此趨勢將持續(xù)下去。
為了降低制造成本，近年有人開發(fā)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(dǎo)電玻璃材料，以降TCO成本，預(yù)計未來制程順利開發(fā)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(zhuǎn)化效率。目前此型光電池效率，實驗室僅及約13.5﹪，商業(yè)模塊亦僅4
~ 8﹪，而且似乎為來改善的空間，可能相當(dāng)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(chǎn)制造時，所需半導(dǎo)體原物料可能僅只US$0.03/W。
CIGS光電池其結(jié)構(gòu)有別于非晶型硅光電池，主要再于光電層與導(dǎo)電玻璃間有一緩沖層（buffer
layer），該層材質(zhì)通常為硫化鉻（CdS）。其載體亦可使用具可撓性材質(zhì)，因此制程可以roll-to-roll方式進行。目前商業(yè)化制程是由shell
solar所開發(fā)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(dāng)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(fā)式制程，放大不易，可能不具商業(yè)化可行性。另一家公司，ISET，已積極投入開發(fā)非真空技術(shù)，嘗試利用奈米技術(shù)，以類似油墨制程（ink
process）制備層狀結(jié)果，據(jù)該公司報導(dǎo)，已獲初步成功，是否能發(fā)展成商業(yè)化制程，大家正拭目以待。另外，美國NREL亦成功開發(fā)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(dāng)復(fù)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(fù)雜，投資成本高；（2）關(guān)鍵原料的供應(yīng)；（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(dǎo)體制程的需求，要改良以降低成本，困難度頗高。奈米技術(shù)應(yīng)用，引進了不同思維，可能有機會，但應(yīng)用至大面積制造，其良率多少？可能是一項挑戰(zhàn)。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(dāng)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(fā)電供應(yīng)能源，可能只有數(shù)年光景可用。鎘（Cd）的毒性一直是人們所關(guān)注，硫化鎘（CdS）在電池中會不會不當(dāng)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(gòu)造，在進一步增量修改，并改變部分材質(zhì)。
典型的CdTe光電池結(jié)構(gòu)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(fā)生于CdTe層，西光效率細數(shù)大于105㎝-1，因此僅數(shù)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(gòu)。目前已知為制備高光電效率CdTe光電池，不論電池結(jié)構(gòu)如何，均需要使用氯化鎘活化半導(dǎo)體層，方法上可采濕式或干式蒸氣法。干式法較為工業(yè)界所采用。
關(guān)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(chǎn)可行性的方法。已知的方法有濺鍍法（sputtering）、化學(xué)蒸鍍（CVD）、ALE（atomic
layer epitaxy）、網(wǎng)�。╯creen-printing）、電流沉積法（galvanic
deposition）、化學(xué)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(yè)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(yè)化產(chǎn)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(dǎo)體材料只占約5.5﹪。二、碲天然運藏量有限，其總量勢必?zé)o法應(yīng)付大量而全盤的倚賴此種光電池發(fā)電之需。三、鎘的毒性，使人們無法放心的接受此種光電池�！竟璞∧ぬ柲茈姵亍縏hin
Film Silicon Solar Cells
最早開發(fā)此型光電池是在1970’s，至1980’s方有大的突破。其硅結(jié)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(dǎo)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(fā)展中光電池半導(dǎo)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(shè)計上需導(dǎo)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(xué)蒸鍍（CVD），包括低壓與常壓化學(xué)蒸鍍（LP-CVD、AP-CVD）、電漿強化化學(xué)蒸鍍（PE-CVD）、離子輔助化學(xué)蒸鍍（IA-CVD），以及熱線化學(xué)蒸鍍（HW-CVD），遺憾的是上述方法無一引用至工業(yè)界，雖然如此，一般咸信常壓化學(xué)蒸鍍，應(yīng)具備發(fā)展為量產(chǎn)制程的可能性。上述蒸鍍法，操作溫度區(qū)間在300~1200℃，主要依據(jù)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(chǎn)品，當(dāng)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(zhuǎn)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(tǒng)的發(fā)展仍處于觀念可行性驗證時期，實驗室制備技術(shù)是否能發(fā)展成具經(jīng)濟效應(yīng)的量產(chǎn)程序，是人們關(guān)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(shù)的理念，但一直到超過100年后的1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel采用奈米結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的技術(shù)研究開發(fā)，才引起大家積極而熱烈的投入。此項成功結(jié)合奈米結(jié)構(gòu)電極與染料而創(chuàng)造出高效率電子轉(zhuǎn)移接口的技術(shù)，跳脫傳統(tǒng)無材料固態(tài)接口設(shè)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(quán)，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(fā)，要升至高能階層，進而傳導(dǎo)至奈米二氧化鈦半導(dǎo)體的導(dǎo)電層，在經(jīng)由電極引至外部。失去電子的染料則經(jīng)由電池中電解質(zhì)得到電子，電解質(zhì)是由I/I3+溶于有機溶劑中形成。
此型電池的結(jié)構(gòu)一般有兩種，實驗室制備的通常為三明治結(jié)構(gòu)，上下均為玻璃，玻璃內(nèi)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(zhì)的有機溶液。為利用已發(fā)展較成熟的其它薄膜光電池制備技術(shù)，Gratzel等，于1996年發(fā)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(yīng)用于此類型電池制備。德國的ISE公司已發(fā)展出包含網(wǎng)印方式的生產(chǎn)流程（如下圖），制程非常簡單。關(guān)于DSSC的制造成本，由于該型電池為新世代產(chǎn)品，目前并無量產(chǎn)市場，因此有不同的評估值，依據(jù)Gratzel
1994年的估算，如以5﹪光電效率為基礎(chǔ)，其制造成本約US$1.0~1.3/Wp（年產(chǎn)能5~10
NWp/year），Solaronix SA 1996年的鈷算則為US$2.2/Wp/year（年產(chǎn)能4MWp/year）；相較于技術(shù)開發(fā)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(fā)展的最大利基，咸認在于其簡單的制程，不需昂貴設(shè)備與高潔凈度的廠房設(shè)施。其次所使用材料二氧化鈦、電解質(zhì)等亦非常便宜。至于鉑金屬觸媒以及染料，相信生產(chǎn)規(guī)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(yīng)用范圍可大幅擴張，不似目前硅晶圓式，只適用于屋頂?shù)壬贁?shù)場合。
未來DSSC如要成為具商業(yè)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(yè)產(chǎn)品長期使用的實測數(shù)據(jù)。二、對大面積的制備技術(shù)，有待努力發(fā)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(chǔ)研究，仍有許多工作要做，此方面研究可促進產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的確立。
高能階差半導(dǎo)體，光穩(wěn)定性較高，因此如能以此類物質(zhì)取代二氧化鈦，學(xué)理上應(yīng)較易獲得耐久性DSSC產(chǎn)品，關(guān)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(fā)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(xué)是發(fā)展很久的一學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，因此許多人相信經(jīng)由適切的構(gòu)思與系列實驗，應(yīng)有機會開發(fā)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(jié)語】
太陽光電池產(chǎn)業(yè)在過去幾年呈現(xiàn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)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(chǎn)規(guī)模的逐步建立是價格下降的主要因素。
環(huán)視未來，硅晶圓太陽光電池是否仍能持續(xù)長期主導(dǎo)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(shù)進展很快，雖然發(fā)展出使用不同的復(fù)合半導(dǎo)材料，但彼此技術(shù)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(shù)發(fā)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(dāng)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(tǒng)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(huán)保且具能源效率的產(chǎn)品。
1.幾種發(fā)展中薄膜光電池，或許受到使用毒性物質(zhì)影響，有其發(fā)展限制；或者部份因使用天然儲量有限元素，預(yù)期可能無法全面長期應(yīng)用于提供人類能源之用，但其累積技術(shù)、經(jīng)驗卻彌足可貴，一但新觀念或材料產(chǎn)生，即可以發(fā)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(yīng)用發(fā)展多年的薄膜制備技術(shù)，而前者另外引用人們對硅多年累積經(jīng)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(fā)展起步較晚的技術(shù)，但可能也是最具產(chǎn)生全面影響潛力的技術(shù)。
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