太陽電池生產過程之廢棄物

2004 年 起 太 陽 光 電 產 業 對 於 矽 材 料 有 高 度 需 求，起 源 於 先 進 國 家 對 太 陽 能 產 業 積 極 推 廣 ， 而 太 陽 能 電 池 其 使 用 年 限 約 在 20-25 年 間 ， 屆 時 這 些 廢 太 陽 電 池 系 統 將 都 遭 到 淘 汰 ， 必 需 處 理 這 些 廢 太 陽 電 池 系 統 。 現 階 段 對 於 太 陽 能 系 統 上 所 使 用 的 化 學 物 質 ， 都 尚 未 加 以 規 範 。 若 以 目 前 歐 盟 環 保 法 令 WEEE 與 RoHS 法 令 在 2005 與 2006 年 全 面 施 行 回 收 與 禁 用 ， 雖 說 太 陽 能 電 池 系 統 暫 時 不 在 管 制 指 令 中 ， 仍 能 使 用 指 令 規 範 中 的 有 害 物 質 與 無 需 對 此 產 品 進 行 回 收 ， 但 可 預 期 終 究 會 納 入 管 制 ， 這 些 在 法 令 管 制 前 所 生 產 的 產 品 ， 其 有 害 物 質 的 使 用 都 未 經 過 規 範 與 限 制 ， 對 環 境 影 響 大 ， 需 先 行 思 考 因 應 解 決 之 道 ， 並 規 劃 禁 用 與 回 收 處 理 方 式 。

由 圖 3.3 產 品 生 命 週 期 與 產 生 的 廢 棄 物 ， 推 得 圖 4.1 所 示 由 矽 原 料 製 成 太 陽 電 池 晶 圓 的 過 程 ， 由 流 程 圖 知 矽 原 料 到 太 陽 電 池 晶 片 ， 需 進 行 許 多 的 加 工 步 驟 ， 才 能 得 到 太 陽 電 池 裸 晶 片 ， 其 耗 費 的 資 源 與 製 造 成 本 相 當 高 昂 ， 由 圖 中 了 解 若 將 製 程 中 的 廢 棄 矽 材 料 回 收 ， 其 矽 材 需 再 再 經 加 熱 熔 融 即 可 長 晶 再 製 ； 而 回 收 的 廢 太 陽 電 池 去 除 表 面 反 射 層 ， 即 可 直 接 成 為 太 陽 電 池 裸 晶 片 ， 成 本 效 益 高 。

圖 4.1 多 晶 矽 原 料 成 為 太 陽 電 池 晶 圓 過 程

在 圖 4.2 所 示 矽 原 料 到 太 陽 電 池 系 統 與 流 程 中 所 生 廢 棄 物 ， 在 製 程 中 所 生 的 廢 棄 矽 材 ， 愈 接 近 原 料 端 其 效 益 越 高 ， 其 廢 棄 物 性 質 單 純 ， 可 直 接 在 製 程 中 再 製 。 在 製 造 過 程 中 產 生 的 廢 棄 物 分 別 有 ： 純 度 不 足 的 矽 砂 、 廢 棄 的 晶 棒 、 製 程 中 廢 棄 的 晶 片 與 廢 電 子 零 組 件 等 。 其 中 不 純 的 矽 砂 ， 廢 棄 的 晶 棒 與 廢 棄 晶 片 ， 均 可 在 製 程 中 直 接 再 次 加 工 ， 成 為 太 陽 晶 片 的 原 料 來 源 。

圖 .4.2 太 陽 能 電 池 製 造 流 程 與 相 關 廢 棄 物 資 料 來 源 ： 本 研 究 整 理

太 陽 電 池 矽 晶 來 源 有 單 純 太 陽 電 池 矽 晶 材 與 半 導 體 級 淘 汰 下 的 矽 材 ，

在 半 導 體 級 矽 晶 製 造 過 程 中 ， 矽 砂 純 化 成 10^-9純 度 的 矽 晶 原 料 ， 切 割 取 出 中 段 的 單 晶 原 料 ， 供 半 導 體 產 業 製 成 積 體 電 路 ， 其 價 值 最 高 ； 而 在 切 割 過 程 中 純 度 較 差 的 廢 棄 矽 晶 棒 ， 可 再 供 製 成 太 陽 電 池 晶 圓 。 太 陽 電 池 的 矽 材 純 化 至 10^-6後 ， 取 出 單 晶 製 成 單 晶 矽 太 陽 電 池 ， 切 下 的 餘 料 與 半 導 體 級 廢 棄 的 矽 材 ， 混 合 再 經 加 工 融 熔 可 製 成 矽 晶 原 料 ， 不 但 能 省 下 成 本 與 時 間 ， 更 大 幅 減 少 廢 棄 物 產 生 。 以 下 將 對 矽 砂 到 太 陽 電 池 的 生 產 過 程 與 產 生 廢 棄 物 做 介 紹 。

4.1.1 矽 砂 到 晶 棒 （ 磚 ） 階 段

矽 砂 經 過 矽 石 還 原 、 反 應 純 化 等 過 程 後 能 得 到 晶 棒 或 晶 磚 ， 如 圖 4.3 所 示 。 此 階 段 由 矽 砂 經 過 還 原 與 純 化 方 式 得 到 多 晶 矽 材 ， 多 晶 矽 材 用 柴 氏 長 晶 法 （ CZ） 長 晶 ， 在 石 英 坩 鍋 中 放 入 純 化 過 的 多 晶 矽 原 料 ， 加 熱 至 1420

℃ 讓 多 晶 矽 融 化 ， 置 入 晶 種 再 經 過 拉 晶 程 序 ， 即 成 為 單 晶 的 晶 棒 ； 而 多 晶 矽 磚 不 需 經 過 拉 晶 ， 即 可 得 方 形 的 矽 磚 。 多 晶 矽 磚 其 來 源 有 多 晶 矽 材 與 單 晶 矽 棒 的 頭 尾 廢 料 。 單 晶 矽 棒 需 透 過 長 晶 過 程 ， 其 煉 製 過 程 較 多 晶 矽 磚 繁 複 ， 故 在 能 源 耗 用 上 較 多 晶 矽 材 為 高 。

圖 4.3 矽 砂 到 晶 棒 流 程 -單 晶 與 多 晶 資 料 來 源 ： 潘 正 堂 ， ＂ Silicon Materials＂ ， 中 山 大 學

由 矽 砂 到 長 成 晶 棒 或 晶 磚 的 過 程 中 ， 須 加 熱 純 化 多 晶 矽 材 ， 在 坩 鍋 中 會 殘 留 約 10-15％ 因 雜 質 因 素 、 溫 控 因 素 的 多 晶 矽 溶 液 。 這 些 多 晶 矽 的 純

度 相 較 原 始 矽 砂 高 ， 仍 可 經 過 再 次 純 化 ， 將 雜 質 除 去 後 ， 再 次 進 行 長 晶 ， 亦 可 成 為 多 晶 矽 磚 的 重 要 原 料 來 源 。

4.1.2 晶 棒 （ 磚 ） 到 晶 片 階 段

經 過 晶 爐 的 長 晶 過 程 ， 得 到 單 晶 與 多 晶 的 晶 棒 與 晶 磚 ， 而 晶 棒 與 晶 磚 長 成 後 須 進 行 切 割 成 晶 圓 片 與 晶 磚 片 。 以 半 導 體 級 單 晶 製 程 為 例 ， 單 晶 矽 在 拉 晶 過 程 中 ， 單 晶 矽 在 晶 棒 中 間 生 成 ， 因 純 度 與 價 值 較 高 ， 大 多 直 接 應 用 在 半 導 體 業 中 ， 進 行 晶 圓 加 工 成 為 積 體 電 路 。 晶 棒 的 頭 尾 則 是 在 長 晶 過 程 中 ， 因 雜 質 與 缺 陷 的 產 生 ， 無 法 使 用 在 半 導 體 產 業 中 ， 故 將 有 雜 質 的 頭 尾 切 除 不 使 用 。 舉 例 來 說 生 產 300 ㎜ 晶 圓 ， 有 1/3 的 矽 片 用 來 測 試 ， 有 8

﹪ 用 來 研 展 ， 剩 下 的 可 能 在 製 程 中 受 損 而 報 廢 ， 因 此 只 有 約 一 半 左 右 的 矽 片 可 用 來 製 成 半 導 體 用 晶 片 。 但 有 些 矽 片 雖 只 使 用 一 次 但 仍 非 常 完 整 ， 能 再 生 使 用 將 可 節 省 下 可 觀 的 成 本 [ 38 ]。

在 晶 棒 與 晶 磚 切 割 成 晶 片 的 過 程 中 ， 除 切 割 過 程 中 切 下 的 頭 尾 料 外 ， 因 切 割 所 造 成 的 矽 材 損 失 也 相 當 大 ， 這 些 切 割 下 的 矽 材 ， 可 在 製 程 中 回 收 集 中 再 經 融 熔 長 晶 ， 亦 成 為 矽 晶 原 料 的 來 源 。

而 太 陽 光 電 產 業 發 展 剛 起 步 ， 導 致 供 給 面 供 應 不 及 ， 此 相 較 於 半 導 體 產 業 對 於 晶 圓 片 之 需 求 較 小 ， 加 上 成 本 考 量 ， 使 太 陽 電 池 所 用 之 晶 圓 片 多 由 半 導 體 產 業 之 廢 次 晶 矽 和 頭 尾 料 再 處 理 後 所 提 供 [ 39 ]。在 上 游 矽 原 料 廠 商 擴 產 不 及 下 ， 使 廢 次 晶 矽 和 頭 尾 料 炙 手 可 熱 ， 因 只 需 進 行 再 生 加 工 ， 即 能 使 純 度 較 低 的 矽 材 料 應 用 在 太 陽 電 池 上 。 故 晶 圓 的 回 收 再 生 ， 可 視 不 同 半 導 體 業 者 所 製 出 的 晶 片 定 出 適 當 的 回 收 再 生 作 業 ， 如 此 再 生 的 產 品 不 僅 品 質 如 全 新 貨 、 且 最 重 要 的 是 價 格 只 有 新 貨 的 一 半 。

4.1.3 晶 片 到 太 陽 電 池 階 段

單 晶 的 wafer 是 從 圓 形 的 晶 棒 中 切 割 出 來 的 ， 為 了 要 放 入 方 形 的 太 陽 能 板 上 面 ， 必 須 裁 切 部 份 以 適 合 方 形 的 設 計 ； 而 多 晶 的 wafer 是 從 方 形 晶 磚 切 割 出 來 的，放 入 方 形 的 太 陽 能 板 上，其 裁 減 量 較 單 晶 的 晶 圓 少。「 愈 大

面 積 的 電 池 板 ， 多 晶 就 愈 有 利 ！ 」 在 矽 原 料 短 缺 下 ， 使 用 多 晶 矽 原 料 愈 見 其 效 率 ， 如 矽 晶 圓 切 得 更 薄 、 每 片 Wafer 使 用 矽 原 料 更 少 、 轉 換 效 率 更 高 等 ， 矽 原 料 短 缺 反 形 成 技 術 進 步 主 要 動 力 。

目 前 太 陽 電 池 Wafer 大 多 使 用 4 到 6 吋 多 晶 矽 晶 圓 或 晶 磚 ， 其 厚 度 約 220～ 350µm，單 晶 轉 換 效 率 約 15～ 16%，多 晶 轉 換 效 率 約 14～ 15%，每 瓦 電 力 約 需 使 用 5-15 克 矽 原 料，依 太 陽 電 池 的 尺 寸 大 小 與 厚 度 有 所 差 異。由 於 多 晶 矽 材 缺 貨，矽 原 料 價 格 持 續 上 漲，廠 商 除 積 極 提 升 研 發 及 技 術 能 力 外，

希 望 以 更 有 效 率 方 式 使 用 多 晶 矽 ， 使 Wafer 更 薄 、 電 池 轉 換 效 率 將 更 高 、 每 瓦 電 力 使 用 之 矽 原 料 將 更 少 。

晶 片 切 割 成 方 形 後 ， 須 先 進 行 表 面 處 理 與 切 割 後 ， 依 太 陽 電 池 的 製 造 流 程 製 造 ， 才 是 完 整 的 太 陽 電 池 。 在 切 割 過 程 中 因 製 程 產 生 的 破 損 廢 料 ， 與 切 割 下 的 矽 材 ， 其 純 度 與 晶 棒 （ 磚 ） 純 度 相 同 ， 可 與 前 段 所 產 生 的 廢 次 晶 矽 和 頭 尾 料 混 合 ， 透 過 再 次 融 熔 方 式 進 行 長 晶 。

4.1.4 太 陽 電 池 到 模 組 與 系 統 階 段

矽 材 經 過 太 陽 電 池 製 造 流 程 後 ， 已 成 可 供 發 電 的 單 一 太 陽 電 池 裸 晶 片 ， 仍 須 將 太 陽 電 池 串 聯 與 封 裝 ， 始 可 成 為 有 效 發 電 的 模 組 。 在 封 裝 組 裝 成 模 組 過 程 中 ， 因 製 程 上 的 變 數 多 ， 在 製 程 中 因 品 質 或 製 造 因 素 ， 產 生 廢 棄 的 太 陽 電 池 或 是 廢 棄 模 組 。 此 階 段 產 生 的 太 陽 電 池 ， 因 表 面 已 有 含 銀 的 導 線 與 鋁 等 相 關 使 太 陽 電 池 產 生 作 用 的 金 屬 物 質 ， 處 理 上 需 進 行 繁 瑣 的 處 理 過 程，將 表 面 物 質 去 除 乾 淨，得 到 乾 淨 的 裸 晶 片，始 得 進 行 再 生 與 利 用 。

太 陽 電 池 因 裝 設 地 點 的 需 求 規 劃 不 同 ， 封 裝 成 半 透 光 型 與 不 透 光 型 等 發 電 模 組 。 太 陽 電 池 模 組 要 能 用 來 供 電 ， 還 需 加 上 電 源 轉 換 器 與 相 關 的 發 電 控 制 設 備 ， 始 能 供 作 發 電 控 制 之 用 ， 太 陽 電 池 模 組 與 發 電 模 組 組 裝 時 ， 過 程 中 因 加 工 組 裝 方 式 不 同 ， 會 產 生 廢 電 子 零 組 件 下 腳 品 及 不 良 品 等 廢 棄 物 的 產 生 ， 因 組 成 元 件 相 當 多 ， 與 單 純 只 有 太 陽 電 池 晶 片 或 太 陽 電 池 模 組 相 較 ， 其 處 理 方 式 將 較 為 繁 瑣 與 耗 時 。

4.1.5 太 陽 電 池 生 產 過 程 小 結

資 料 來 源 ： K.Wanbach, S.Schlenker ”A voluntary take bake system for pv

m o d u l e i n E u r o p e ” , S o l a r ma t e r i a l , B a r c e l o n a

在文檔中 太陽能電池的材料回收處理與再利用研究 (頁 57-63)