薄膜太陽能電池有許多不同的類型，如非晶矽(a-Si)、砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)、銅銦鎵硒(CIGS)化合物以及多接面型式的薄膜太陽能電池，其中最具發展潛力之一的銅銦鎵硒化合物所製備的薄膜太陽能電池，因擁有高光吸收率及為直接能隙半導體等優點，估計未來量產的半導體成本大約為0.03美元/瓦，所以，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池變成美日德等各國廠商的新寵兒，研發出如共蒸鍍(Co-evaporation)、濺鍍(Sputtering)等真空製程，以及塗佈製程(Coating Process)、電鍍(Electrodeposition)等非真空製程。採用非真空製程其最終目的就是為了得到高效率、大面積、低耗能、低成本與可撓性的薄膜太陽能電池。
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池結構
CIGS 薄膜太陽能電池的基本結構如圖三所示，最底層為基材(Substrate)，通常使用的材料為玻璃(Glass)或是具有可撓性的金屬箔（如不銹鋼箔、銅箔、鋁合金箔）或一些高分子如Polyimide (PI)，而基材上會濺鍍一層約0.5~1.0μm 之Mo 背電極以利於電洞傳導，往上即是CIGS 光吸收層，此層約為1.5~2.0μm ，再往上是約0.05μm 厚的n-type半導體CdS ，此層也兼具緩衝層的功能，幫助電子有效傳導，再往上有一層約0.1μm厚的n-type i-ZnO 層，防止CIGS 太陽能電池在進行發電過程中，因Shunting 的問題導致元件效能下降，此時再濺鍍上AZnO 作為透明導電層窗口，此窗口層除了作為上電極之外，尚須讓陽光順利通過此層到達CIGS光吸收層；最後鍍上金屬鋁導線約0.05μm，即構成一個銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。
圖三、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池結構示意圖
銅銦鎵硒薄膜鍍膜製程
關於CIGS 層的鍍膜方法，目前研究單位所研發出最高效率的製程屬NREL 所研發的真空製程技術，其三步驟的共蒸鍍製程(3-stage Process)，光電轉換效率可達19.88%。但是此方法需要較高的溫度（蒸鍍最高溫度580°C），與較多的物料浪費（Se 蒸氣持續保持在每秒鐘30Å 的速率），還需全程在高真空度下進行共蒸鍍製程。雖然具有高光電轉換效率，但卻也有難以降低製程成本的問題。近年來，為降低CIGS 太陽能電池的製程成本，許多公司及研究機構積極地投入非真空製程的技術，由於非真空製程技術具有低設備成本，以及高材料使用率的優點，因此具有降低成本的優勢及潛力。
目前CIGS 層的鍍膜技術有相當多種，主要可分為共蒸鍍(Co-evaporation)、濺鍍(Sputtering)硒化(Selenization)等真空製程技術，以及塗佈製程(Coating Process)、化學噴灑熱解法(Chemical spray Pyrolysis)、電沉積(Electrodeposition)等非真空製程技術，化學噴灑熱解法因有緻密性較差及材料使用率較低等缺點，近來已較少使用，本文將針對塗佈及電沉積製程做詳細說明。
塗佈製程
CIGS 奧秘之處在於可採不同的前驅物而獲得相同的結果，表一是國外採塗佈製程做CIGS 吸收層其所使用的塗佈製程方式、前驅物漿料、硒化方式、基材與效率彙整表，目前以Nanosolar 的效率最高，本文將針對較具代表性的公司及研究單位製程做較詳細的說明。
表一、國外非真空CIGS 薄膜太陽能電池製程與效率
（本表為節錄資料，詳細表格內容請連結至本文）
1. Nanosolar
美國的Nanosolar 公司在2006 年6 月時發表其公司已經募集1 億美元，將在舊金山興建每年可以生產約兩億顆太陽能電池的工廠，於2006 年年底開始興建，預估2009 年產能最多可達430MW 之規模，幾乎是現今美國太陽能電池產量的3 倍， Nanosolar 也將在柏林附近建造一座每年生產超過100 萬片的太陽能電池組裝廠。Nanosolar 是第一家將捲撓傳輸製程(Roll-to-Roll ，如圖六所示)擴大至高產量的公司，該公司宣稱使用一種稱為“High Throughput Print” 的技術，將Cu2Se 及CIGS 奈米粒子溶液塗佈於金屬箔上，經RTP 硒化，由圖六SEM 得知其晶粒大小接近2μm，且於2007 年底發表14.5%光電轉換效率的電池元件，為目前CIGS 非真空製程技術中的最高效率，若以此效率換算，其製程成本將可大幅降低至每瓦一美元以下。
圖六、Nanosolar 捲繞式傳輸製程機器部分圖及硒化後的斷面SEM
2. ISET (International Solar Electronic Technology, Inc.)
3. Unisun
4. ETHZ (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)
ETH Zürich 是瑞士聯邦技術學院的簡稱，此學院也研發出一種非真空的CIGS薄膜製程，利用傳動帶帶動基板，在基板上塗佈厚度約2μm 之奈米前驅物，此前驅物漿料使用溶膠−凝膠製程，銅與鎵的硝酸鹽加上銦的氯化物，溶解於乙醇中，加上Ethylcellulose 與1-Pantaol 作為增稠劑進行塗膜，前驅物乾燥後，在約550℃反應成為均勻且結晶性好的CIGS 薄膜（ 如圖十所示），此方法雖不需要真空的方式來製作此薄膜，但是在加熱反應時還是需要加熱至550℃，且製造出來的太陽能電池也只有6.7% 的光電轉換效率。此製程塗佈的均勻性、殘碳量以及反應過後的薄膜組成是否均勻，都還需要去探討改進以增進其效率。
5. Yazaki
6. IBM
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圖十、ETHZ 奈米印刷式製程
電沉積
非真空成膜技術除了塗佈製程外，電沉積方式也相當受到重視，國外已有多家廠商積極投入，且已進入試量產階段，電沉積方式是產生CIS 前驅物最快速的方式，但因電沉積過程中各元素的還原電位相差很大，需外加錯化物進行共鍍，鍍液管理較不容易，要單段電沉積CIS 薄膜在量產考量上可行性不高，因此目前均捨棄單段電沉積方式，改採2 段電沉積Cu-Se 、In-Se或分段電沉積Cu 和In 。目前以電沉積方式成膜的廠商包括：德國的CIS Solartechnik 、Ordersun (IST)、法國CNRS 、美國SoloPower 、Interphase Research 等，以下針對各公司的發展現況做說明：
1. CIS Solartechnik：
以電沉積方式製備CIS 吸收層最積極的非德國莫屬，目前CIS Solartechnik 已進入試量產階段，計畫在2008 年第三季興建第一代產線。以3.5cm 寬、0.2mm 厚的不銹鋼箔或銅箔為基材，單邊鍍鉬當背電極，經電解拋光處理後，電鍍Cu 、In ，再蒸鍍Se或S，最後再RTP 處理形成CIS 吸收層，預計2008 年量產產能3.2MW。目前該公司發表的最高效率為11.2% (1cm2)。
2. Ordersun
3. SoloPower
4. InterPhase Research
5. 法國CNRS
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印刷式薄膜太陽能電池製程已經由ISET 與Nanosolar 兩家公司實驗證實，以CIGS 為材料載具所開發出的最佳Mini Cells效率可達到9~14% ，優於矽薄膜太陽能電池。在電沉積技術方面， 德國Odersun 、Solartechnik 、美國SoloPower 、法國科學研究中心(CNRS)等， Mini Cells 效率亦可達13.76% 。非真空技術一旦能成功的推向產業化技術，必然帶來革命性的衝擊。雖然CIS（或CIGS）發展已逾二十年，但非真空製程之成功開發約為近五年的事。依美國NREL 與太陽光電產業界的分析，由非真空製程製備CIGS 太陽能電池最具量產、低成本競爭潛力。相對於其他已發展成熟的太陽能電池種類、製程， CIGS 仍有許多IP 空間，國內應積極投入此項技術開發，建立關鍵性技術。
對CIGS太陽能電池－非真空製程技術發展簡介有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：工研院材化所 /邱秋燕、廖曰淳、楊慕震、黃渼雯、羅一玲
★本文節錄自「工業材料雜誌264期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7385