自1974年美國貝爾實驗室提出藉由CuInSe2材料得到當時最高達12%之光電轉換效率的太陽電池之後，直至今日全球面臨矽基太陽電池矽原料的嚴重短缺問題，致使許多研究機構、民間企業與大學等，也日益熱衷於Cu(In1-x,Gax)Se2基材料的研究，展開所謂的CIGS薄膜太陽電池的量產研發。從數年前開始，CIGS薄膜太陽電池已就試驗性質展開小規模的市場投入活動，近一兩年則已有歐洲及日本等國的企業相繼發表年規模達15～30MW的商業性生產計畫，在美國相關的投顧企業更是林立，顯見全球性的商業性活動開始活絡起來。預估2007年以後，全球CIGS太陽電池的生產規模將擴大至70-100MW。而小面積單電池、無Cd之單電池、可撓式單電池、大面積模板與原料成本的削減，都是CIGS薄膜太陽電池當前的研發重點。
CIGS的優勢
CIGS薄膜太陽電池除了材料的使用不同於他種太陽電池之外，尚具有兩大特徵，其一是其光電轉換層厚度能薄至數μm，據此除可降低材料成本，同時還可節省製造時所投入之能源。光電轉換層一旦變薄，CIGS系材料的光吸收能力會變得相當高。另一特徵則是其理論性的發電效率可高達25～30%，比單晶矽高出許多。CIGS系半導體具有在厚度方向改變其組成就能控制其吸收波長領域的性質，若在該組成上下工夫，讓吸收波長領域變廣，那麼自然就能提高太陽電池的發電效率。CIGS薄膜太陽電池還有一大特色，那就是它在光或放射線照射下，具有比矽基太陽電池更難以劣化的優勢。產品壽命較長，更能滿足於太空中使用的需求。CIGS太陽電池屬於直接遷移能階結構，具有良好的光吸收特性，其光吸收係數優於其他太陽電池，如圖一所示。
圖一、各種太陽電池材料的光吸收特性比較圖
CIGS的研發課題
(一) 小面積單電池技術
針對小面積單電池(Cell)，最近一兩年內雖並未見到光電轉換效率提升的訊息報導，但為了邁向正式的商業化生產，其相關的研發能量相當顯著。例如有報告指出，美國NREL (The National Renewable Energy Laboratory)為了降低成本，展開CIGS光吸收層薄膜化的研究，結果使高效率CIGS單電池的膜厚達到2μm左右，甚至其研發膜厚1μm的CIGS單電池可得到17%的光電轉換效率，可是膜厚再降至0.75μm時，光電轉換效率卻又減少為12.5%。究其原因是因隨CIGS晶粒的變小，導致其缺陷密度增大所致。這樣的結果，也出現在美國Delaware大學的研究報告當中。整體而言，1cm2以下小面積單電池的光電轉換效率超過19%，具有與結晶矽太陽電池的高度競爭性，隨之將從研發階段邁向實驗量產階段。各類型太陽電池模組的轉換效率目標如表一所示。
表一、各類型太陽電池模組的轉換效率目標
資料來源 : 工業材料(日文) 2007年12月號，NEDO資料
(二) 基板的可撓性
可撓式基板可藉由Roll to Roll法進行快速製造生產，具量產優勢。但是在集積型模板方面，基材與CIGS薄膜之間還存在著需要絕緣膜的問題，這是今後研發上的重要課題。關於基板材料的使用，若使用不銹鋼或鈦金屬箔為基板，可得到膜質良好的CIGS薄膜，並可獲得約17%的光電轉換效率。德國ZSW與Würth Solar研究團隊的報告指出，使用鈦箔的單電池可得到13.8%(27cm2)、集積化(monolithic)/集積型(422cm2)太陽電池可得到5.2%、鈦基板太陽電池在相同面積下可得到3.8%的光電轉換效率。德國HEI(The Hahn-Meitner Institute)利用鈦基板的Roof Tile式模板(130cm2)，可得到10.5%的光電轉換效率。日本松下電器研究團隊利用不銹鋼基板，以開口面積91cm2的Sub Module得到14.1%、以60 x 120cm的大面積模板得到13.0%的光電轉換效率。
關於聚亞醯胺基板的採用，由於其耐熱性約在450℃，使CIGS薄膜的結晶性差，降低了轉換效率。然而最近瑞士ETH(Swiss Federal Institute of Technology：Eidgenossesche Technische Hochshule)卻採用聚亞醯胺，在基板溫度450℃的較低溫度下，得到14.1%的光電轉換效率。其是在製程中經添加Na，將NaF蒸鍍後再進行後續熱處理(Post Annealing)而得。
(三) 大面積模板的實用化
近兩年來，全球各企業在大面積模板的商業化活動相當盛行，各企業的研發活動已從基礎研究階段轉向具備成本競爭力之生產規模、製造技術的量產性與擴張性的階段。除了德國Würth Solar、昭和Shell、本田技研工業三家公司都展開了15～30MW/年規模的生產線建設工程之外，德國Avancis有2008年達20MW/年規模的量產計畫，採用所謂的FLAIR-CIS製程，其30 x 30cm模板的最高光電轉換效率可達到14.0%。在美國，近年來Nanosolar、Miasole、DayStar、Heliovolt等新公司林立，目標均朝向商業化發展。
CIGS薄膜太陽電池未來發展至GW規模的生產階段，其間需要解決的課題包括有(1)正式量產製程的確立；(2)品管技術的確立；(3)高效率低成本化製造關鍵技術的開發；(4)因應大規模生產的製程化標準的建立等。在低成本化方面的技術課題則包括有(1)設法削減製造流程數；(2)確定最佳基板尺寸及設備尺寸，以縮短設備製作完成所需時間，並降低維修成本；(3)開發人力精簡、具自動化與運轉監視系統的生產製程；(4)確立適切之低成本資源回收系統等。
廠商研發動態
(1) 日本Honda公司
日本Honda專事太陽電池製造與銷售的子公司Honda Soltec於2007年6月 12 日宣佈，從正式市售由Honda Engineering所生產的CIGS薄膜太陽電池。Honda獨家開發的該款CIGS薄膜太陽電池是採由Cu、In、Ga、Se四種材料所組成的化合物薄膜為發電層的薄膜系太陽電池。模板尺寸為1,417 x 1 791 x 37mm，重14.3kg。在日照強度1kW/m2、模板溫度25℃條件下，最大功率輸出125W。模板的光電轉換效率為11.2%。零售價格為含稅60,375日圓。該公司計劃從今年秋季開始，以年產27.5MW的量產規模進軍日本全國市場。
(2) 韓國能源技術研究院
韓國能源技術研究院(Korea Institute of Energy Research)與LG Micron公司於2007年10月22日簽訂高效率薄膜太陽電池技術移轉合約，將共同為次世代CIGS薄膜太陽電池的實用化技術的開發進行合作。據韓國能源技術研究院表示，其所開發之CIGS薄膜太陽電池(圖二)的光電轉換效率可達17%，適用於建築物一體形太陽光電系統(BIPV)；由於使用的是金屬薄膜基板，而可製作為形狀可自由變動的可撓式太陽電池。LG Micron於接受技術移轉之後，可望生產較過去採用矽晶圓之矽基太陽電池厚度達1/100的電池，由於材料成本大幅降低，經濟性高度提升，而受到相當的矚目。據云，雙方還積極推動大面積模板的實用化技術研發的合作計畫。
圖二、韓國能源技術研究院研發的CIGS薄膜太陽電池
資料來源：Korea Institute of Energy Research
(3) 美國Global Solar Energy公司
美國Global Solar Energy(GSE)由2000年度開始，使用不銹鋼基板製造可撓式CIGS太陽電池模板(圖三)，隨後從軍用製造規格轉向民生用規格發展，並研發有穿戴式太陽電池夾克。所採製膜法為同時蒸鍍法。其受光面積8709cm2的大面積模板的光電轉換效率可達到10.2%。最近研發出模板的構裝法，在耐濕性試驗中證實其CIGS太陽電池的穩定性有所大幅提昇。該公司有於2008年以後增產的計畫。
圖三、Global Solar Energy研發的CIGS薄膜太陽電池
資料來源：Global Solar Energy
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6594