大地豐富的金屬硫族化合物光伏電池：銅鋅錫硫（CZTS）

Abstract

發展再生能源是世界之趨勢，而薄膜太陽能電池為再生能源重點發展之一，其原理是利用光伏 效應將光能轉化為電能。目前銅銦鎵硫硒 Cu(In,Ga)(S,Se) 2 (CIGSSe) 與碲化鎘 (CdTe) 化合物半導體 的薄膜太陽能電池最高能源傳換效率可大於 20%，且由於這類薄膜材料光譜響應範圍較寬、吸收係 數高，故對弱光的敏感度高，具有在弱光下發電的能力，所以其有效發電時間比矽晶電池長的多。但 因為鎘 (Cd) 為有毒元素且銦 (In)、鎵 (Ga)、碲 (Te) 含量稀少，因此使其無法達到兆瓦級 (terawatt) 的全球功耗需求。因此發展廉價、大地含量豐富的薄膜太陽能電池材料得到了廣泛關注。而新一代金 屬硫族化合物：銅鋅錫硫硒 Cu 2 ZnSn(Se,S) 4 (CZTSSe) 由於它的組成全是大地豐富、無毒的元素且同 時具有與 CIGSSe 類似的光電特性，將是最具潛力的替代光伏能源材料之一。 關鍵詞：銅鋅錫硫硒、大地豐富元素、金屬硫族化合物、無毒元素、光伏元件、太陽能電池。 一、前言及研究動機 再生能源 (renewable energy) 係指使用後可以再 生且短時間內可以恢復的能源，如太陽能、水力、風 力等。其中太陽能電池 (solar cell) 可以視為近乎無限 的能量來源，且其轉換能源過程中不會造成環境汙染、 不會排放溫室氣體、具有較高的安全性、維持成本低， 若與建築物結合甚至可以降低建築物內部溫度，是實 現再生能源相當重要的技術之一，也是目前被廣泛探 討的一種替代能源。本文中所探討的太陽能電池範疇 是指利用光伏效應 (photovoltaic effect) 將光能轉化為 電能之光伏電池。 太陽能電池為了能降低成本並提高光電轉換效 率，不斷有新的材料及技術被研發出來。以吸收層 (absorber) 的材料可分為 IV 族的單晶矽 (monocrystal-line Si)、多晶矽 (polycrystalline Si)、非晶矽 (amorphous Si)、III-V 族、II-VI 族、I-III-VI 族等化合物半導體材 料；以及有機 (organic)、鈣鈦礦 (perovskite)、染料敏 化(dye-sensitized) 及量子點 (quantum dots) 等太陽能 電池。 第一世代太陽能電池以矽晶圓為主，像是單晶矽 與多晶矽。因為其技術成熟、較高的轉換效率 (15~25%)