太陽能的開發可分為直接應用於集熱器的裝置，或結合光電轉換的效應開發出太陽電池，如圖一所示，太陽光所散布的輻射光譜從紫外光（0.3 微米）到紅外光（數微米），輻射光子的能量介於0.3~4 電子伏特之間，當執行光電轉換的材料，其能隙大於光子的能量時，太陽的輻射光子將不被吸收，當太陽的輻射光子能量大於光電材料的能隙時，太陽輻射光子的能量將會被吸收，以及激化光電材料而產生電子−電洞對，多餘的能量則產生熱。本文所提的太陽能光電轉換材料一般指的是太陽電池，目前較廣泛被用為太陽電池的材料有矽(Si)、銅銦鎵硒化合物(CIGS)、鎘碲化合物(CdTe)及染料敏化材料(DSSC)，早期的太陽電池主要是由矽材料所研發出來的，當時由於技術上尚有許多問題待克服，例如表面反射、接觸電阻等，以致於其光電轉換效率不高，當時雖然未達經濟效益，不過仍然為我們帶來新的希望。經過石油危機的洗禮後，更使得太陽電池的研究再度受到世界各國高度的重視，其中以單晶矽太陽電池的發展最為快速。1984 年以後，經各種製造技術的改良，例如抗反射層的應用、電極布局及結構的改進、矽表面粗化及整個元件結構的改良等皆使得其轉換效率成長極為快速，市面上量產的多晶矽太陽電池，其光電轉換效率約為14~19%。
銅鋅錫硫(CZTS)太陽電池材料
太陽電池材料的發展除了矽太陽電池之外，銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池由於具有較高的光電轉換效率，因此也已被高度重視且開發，市面上亦有其產品。然而因為CIGS太陽電池的組成材料中，銦和鎵(In, Ga)為稀有元素，且硒(Se)具有毒性，因此有相當多的研究投入探討尋求取代這些元素的化合材料，其中就提到以地球上蘊含量較多的鋅與錫(Zn, Sn)及較無毒害的硫(S)分別取代銦和鎵(In, Ga)及硒(Se)，即可能製作出無毒害且較低成本之薄膜太陽電池，因此若以銅、鋅、錫與硫元素完成製備，將使其成為最具潛力取代CIGS 薄膜太陽電池的材料。
圖二、鋅黃錫礦結構示意
銅鋅錫硫太陽電池材料之製備
CZTS 材料的取得有相當多的製備技術及方法，如一、噴塗熱解法(Spray Pyrolysis)：此法類似噴漆的做法，主要是利用空氣壓縮噴霧原理，將帶有銅鋅錫硫的前置物溶液噴灑在加溫的基板上形成薄膜；二、溶膠−凝膠法(Sol-gel)：此法主要將各含有銅、鋅、錫、硫的化合物溶解在適當的溶劑中，形成溶膠狀懸浮液，然後藉由膠化作用得到固體，其過程為一連串的水解反應及聚合反應，形成膠體懸浮液並凝結成新的相；三、濺鍍法(Sputtering)：此法乃利用電漿轟擊的方式，將含有銅、鋅、錫、硫的靶材濺出而沉積在所需的基板上，由於此法產生電漿通常需在較低壓的環境中，因此一般皆需配置真空的設備，其產生電漿的方式可採直流(DC)或射頻(RF)交流電源供應器；四、電子束蒸鍍法(Electron-beam Evaporation)：此法乃利用電子束轟擊含有銅、鋅、錫、硫的固態材料，因轟擊產生高熱而將材料以熱昇華氣化的方式沉積在所需的基板上，由於電子束的產生及運作所需，因此需配置真空設備；五、共蒸鍍法(Coevaporation)：此法乃利用電流加熱的方式將含有銅、鋅、錫、硫的固態材料以物理相變化的方式，產生昇華氣化的現象並沉積在所需的基板上，為求沉積物之品質，此法仍需配置真空設備；六、脈衝雷射沉積法(Pulsed Laser Deposition; PLD)：此法主要以脈衝雷射的方式，以~1.5 J/cm2 的能量將含有銅、鋅、錫、硫的固態材料瞬間分解並飄移沉積在基板上，此法一般仍需在真空的環境中進行，以得到有效及高品質的薄膜沉積。
銅鋅錫硫太陽電池的結構
到目前為止，已有相當多有關CZTS 太陽電池的文獻報告，其製作方法不外乎前文所提的各種方法，而所使用的太陽電池結構大多結合p- 型CZTS 及n- 型 CdS 以形成 p-n 結構，並以鍍上鉬金屬電極的玻璃當作基板，最上層再以透明導電層加上指叉狀金屬電極而形成整個太陽電池的結構……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文
作者：葉旻彥 / 國立高雄海洋科技大學、武東星 / 國立中興大學
★ 本文節錄自「工業材料雜誌295期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9461