第二章 矽晶太陽能電池簡介
2.2 太陽能電池種類
太陽能系統的基本單位就是太陽能電池，單一的結晶矽太陽能電 池之輸出電壓約為0.5 V，其最大的功率輸出與太陽能電池效率及其表 面積有關，若要與一般家庭或工業用電相容或配合，需將多個太陽電 池並聯及串聯起來形成模組。其中串聯的作用是為了提高輸出電壓，
並聯的作用是為了增加輸出功率。若要提高模組的輸出電壓或功率，
則需由多個模組並聯或串聯起來形成陣列(array)。一套完整的太陽能 應用系統，不僅要有電池、模組或陣列，還必須有儲電裝置(storage devices)、功率調節器(power conditioner)及一些周邊設備。
太陽電池可分為矽基材料型和化合物型兩大種類，矽基材料型太 陽能電池又可區分結晶矽和非結晶矽兩種類型。化合物型太陽能電池
可區分為III-V 族、III-VI 族或其他材料。本研究所檢測的對象為結晶 矽太陽能電池，本章節僅對結晶矽太陽能電池的製程做介紹，但不論 何種材料或製程的太陽能電池，最基本的結構可分為基板(substrate)、
P-N 二極體、抗反射層(antireflection layer)、表面粗糙層(texturuzation) 和金屬電極 5 個主要部分。基板是太陽電池的主體，P-N 二極體是光 伏特效應來源，抗反射層的目的在於減少光的反射，增加光子的吸收，
進而增加光電流，表面粗糙層主要是為了減少太陽光反射而增加電池 效率，金屬電極則是連接元件與外界負載。矽的能隙為1.12 電子伏特，
且為間接能隙半導體，對光的吸收性不如直接能隙材料，但由於矽是 地表中含量僅次於氧的第二豐富之元素，且本身無毒性，氧化物穩定 又不具水溶性，因此，矽是目前太陽能電池產業最主要的材料[48-50]。
2.2.1 單晶矽晶片
矽在室溫之下，屬於高強度的脆性材料，強度與結晶缺陷或雜 質有關聯，例如：氧濃度對含有差排矽晶的強度有顯著的影響，但 對於零差排的單晶矽強度影響不大。單矽晶在{111}面具有最高的 原子密度及楊氏係數或彈性模數[51]，代表裂縫最容易沿此平面延 展(crack propagation)或在此面產生劈裂(cleave)[52]，單晶矽在各方 向的破壞韌性如表 2-1 所列[53]，其中較常被討論之{111}方向的 KIC約為 0.9 Mpa. m1/2，單晶矽的相關重要材料常數如表 2-2 所列。
單晶矽晶片的製程包括柴氏長晶(Czochralski, CZ)、修邊、切片、
蝕刻清洗等步驟。在工業界有兩種方法可用來生長單晶矽，其中柴氏 長晶法約佔 85%，另一個方法浮融法(float zone, FZ)。 柴氏長晶是 Czochralski 於 1918 年研究固液界面的結晶速度所發展出來的方法，
Teal 和 Little[54]於 1950 年最先將之應用於生長矽及鍺單晶。
經由柴氏長晶法所生成單晶矽棒會先經過一道修邊的程序，將圓 柱形的晶棒修成四方柱，使矽晶片為四方形，在排設太陽能電池模組 能有較好的面積使用率；四方形的單晶矽晶柱接著以線切割的方式切 割成矽晶片，厚度約為200-250 µm。從矽晶柱切下的矽晶片表面常會 殘留機械應力而造成的結構損傷，稱之為切割損傷(saw damage)，進而 影響到太陽電池之效率，為去除這損傷層，必須使用強酸(HF/HNO3) 或強鹼(KOH/NaOH)進行蝕刻，業界在生產單晶矽晶片時一般使用氫 氧化鉀作為蝕刻液，工作溫度約為 80-120℃，蝕刻的深度約為 8-12 µm，圖 2.5 為單晶矽晶片製造流程的示意圖。
2.2.2 多晶矽晶片
由於 CZ 單晶矽晶片的生產成本較高，因此促使太陽電池業者尋 求使用價格低廉的多晶矽片(multicrystalline silicon wafer)當作原料基 板。多晶矽及單晶矽可從外觀上加以區別，但真正的鑒別須通過分析 測定晶體的晶面方向、導電類型和電阻率等。多晶矽材料晶格排列無 特別的方向，一般視為等向性(isotropic)材料，當有裂縫產生，不會像 單晶矽材料會在特定的方向延展，破壞韌性在各方向皆為 0.84-1.24 MPa m1/2 [55]，其他重要材料常數如表 2-3 所列[53]。
多晶矽一般是將熔融的矽以鑄造(casting)的方式製造而成，因其製 程簡單及產出率高，且以鑄造的方式可直接產出四面體型的矽晶棒，
不必如同單晶矽棒一樣必須將圓柱狀加工成四方柱，材料的利用率及 縮減製程，使多晶矽具有成本較低的優勢，為目前結晶矽太陽能電池 的主流。鑄造多晶矽錠通常會採用方向凝固的方式，使長出的晶粒不
會雜亂沒有次序，經過方向性的凝固控制，則可以長出約數毫米到數 釐米寬度的柱狀排列晶粒。目前主要有兩種方法被業界所使用，分別 為坩鍋下降法(Bridgman method)及鑄錠或澆鑄法(casting method)。坩鍋 下降法中原料的熔化與結晶過程都在同一個坩鍋內進行，澆鑄法的熔 料過程在第一坩鍋而結晶則在第二坩鍋。
坩鍋下降法最早是由Bridgman[56]與 Stockbarger [57]分別於 1925 年及1936 提出相似的方法，兩者的差異僅在於對溫度梯度的掌控，由 於當時實驗的對象皆不是多晶矽而是一般金屬及單晶矽，所以後續稱 此法為Bridgman-Stockbarger 法。坩鍋下降法的特點是讓熔體在坩鍋中 冷卻而凝固，凝固過程是由坩鍋一端開始，逐漸擴展到整個熔體。但 因為矽熔漿與石英坩鍋在高溫的反應耗時，所以完成一次鑄造的時間 較長，產出率比澆鑄法來得低。但不論是坩鍋下降法還是澆鑄法所生 產的多晶矽錠，皆必須將立方體的六個表面切除，確保多晶矽的品質，
圖2.6(a)與(b)分別為坩鍋下降法及澆鑄法示意圖。