第二章 矽晶太陽能電池簡介
2.3 結晶矽太陽能電池的基本構造
結晶矽太陽能電池可以分為單晶及多晶矽兩種，單晶矽電池相對 多晶矽有較好的效率，一般工業上所生產的單晶矽電池效率大約從 16%至 17%，但相對成本也較高，多應用於發電廠、大型充電系統等。
多晶矽電池雖然效率較低，約為 15%至 16%，但因製程較簡單，擁有 成本上的優勢，多應用於低功率的電力系統。單晶矽及多晶矽電池雖 然在效率上有明顯的差異，但組成結晶矽太陽能電池的基本結構大致 上是相同的，包括基板、P-N 二極體、抗反射層、金屬電極及背面電 場(back surface field, BSF)等 5 個主要結構，圖 2.7(a)為太陽能主要結構
示意圖，圖 2.7(b)為各結構的 SEM 照片，主要結構厚度為矽(Si)約 170 µm、正面金屬電極(Ag)約 30 µm、背面金屬電極(Ag)約 20 µm、抗反 射膜(SiNx)約 0.8-1 µm 與鋁漿(Al)約 30 µm。生產太陽能電池程序的步 驟包括有長晶(growth)、修邊(ingot squaring)、切片(slicing)、蝕刻清洗 (etching and cleaning) 、 表 面 粗 糙 結 構 化 (texturuzation) 、 磷 擴 散 (phosphorus diffusion)、邊緣絕緣處理(edge isolation)、抗反射層塗佈(arc deposition)、正面電極之網印(front contact print)、背面電極之網印(back contact print)、火烤(cofiring)等[58-59]。
經由線切割製程所產出的單晶與多晶矽晶片，會立即進行清洗與 蝕刻的製程，其目的有二，其一為消除切割的殘留應力，內容在 2.2 節已提過；其二為使晶片的表面產生粗糙結構，使太陽能電池在接受 照光時，透過粗糙的表面使入射光多重反射，增加光的行進路徑，提 升光子被吸收的機率。然而，製程中多晶矽晶片所使用的蝕刻溶劑與 單晶矽晶片不同，多晶矽晶片由於晶格排列無特定的方向性，使用蝕 刻速度較快的氫氟酸(HF)或硝酸(HNO3)於低溫(5-25 )℃ 下進行[60]。單 晶矽晶片所使用蝕刻溶劑為氫氧化鈉或氫氧化鉀加異丙醇(C3H8O，工 業上稱IPA)，由於單晶矽的晶格在[111]方向的蝕刻速度會較[100]慢，
所以晶片表面在蝕刻後會呈現規律的金字塔狀[61]，如圖 2.8 所示。
2.3.1 P-N 二極體
矽晶片要形成 P-N 二極體必須經由高溫擴散製程，p 型半導體為 基底的太陽能電池所使用的是磷擴散製程。一般的磷擴散製程作法是 將矽晶片置入石英爐管裡，通入反應氣體 POCl3，使之在爐管內與氧 氣反應產生P2O5氣體，此氣體會與矽反應產生磷原子，並藉高溫擴散
進入矽晶格內，形成 n 型的摻雜。由於氣體擴散製程在生產時花費較 多的時間，目前工業界發展出另一套縮短製程時間的磷擴散方法，將 含磷的膏狀化合物(H3PO4)先塗抹在矽晶片上，再放入爐管中進行擴散 製程。此方法的磷擴散雖只發生在有塗抹含磷膏狀物的矽晶片表面，
但由於一般太陽能電池也是單面接受太陽光照射，所以與上述通入含 磷氣體方式所生產的電池，在發電效率上並無差異。經過磷擴散後的 P-N 二極體，必須將矽晶片邊緣的 n 型摻雜去除，否則正面與背面的 電極將自行導通，一般使用雷射或電漿進行乾蝕刻的方式將其去除，
所以在太陽能電池的邊緣常可發現有燒焦的痕跡。
2.3.2 抗反射層
正常照光下，結晶矽晶片在表面的光反射率大約 35%，經由上述 的表面粗化處理後，反射率約降至 25%，但仍還是有很多光子無法進 入 P-N 二極體內部，為了讓入射光大部分的光子都能進入半導體內而 不反射，會在矽晶片表面鍍上一層厚度約 80-100 nm 的抗反射膜，目 前業界大都使用電漿輔助化學氣相沈積(plasma enchanced chemical vapor deposition, PECVD)法作為快速生產的方法[62]。當矽晶片被送入 反應爐之後，反應爐會通入 SiH4 及 NH3 氣體，使矽晶片表面產生氮 化矽SiNx，但在這層抗反射層裡約有40%的氫原子，所以正確的化學 表示式為 α-SiNx:H。結晶矽太陽能電池的抗反射層折射率的最佳值約 在1.9 至 2.5 之間，可使 600 nm 波長的紅光在電池表面有低於 10%的 反射率，這也是目前市面上看到結晶矽太陽能電池的正面都是藍色的 原因[63]。
氮化矽薄膜(<1 µm)的材料係數與厚度尺寸無關聯性，只與製程種
類與製程溫度及壓力有關聯[64-65]。不同製程下所生產的氮化矽薄膜 機械性質會有些許的差異，例如以低壓化學氣相沈積(low-pressure chemical vapor deposition, LPCVD)產生的氮化矽薄膜的破壞韌性比電 漿輔助化學氣相沈積生產的大很多，前者約6.3 ± 0.4 MPa m1/2 [64]，後 者約為1.35-1.7 MPa m1/2 [66-67]。太陽能電池抗反射層之氮化矽薄膜 的製程參數為工作溫度300℃以下以及壓力 600 mTorr，採用此製程所 產生的材料性質與矽晶片接近，其他的重要的材料常數如表 2-4 所列 [68-70]。
2.3.3 金屬電極
當太陽光照射在太陽能電池上，入射光子攜帶的能量在 P-N 接點 及p 型與 n 型半導體中產生漂移及擴散電流，這些光電流若能被利用，
需經由金屬電極才能與外界的電路流通。太陽能電池上的主要金屬電 極為正反兩面都有的兩平行金屬電極，一般稱為bus bar，若只在太陽 能電池正面才有，且較bus bar 細的金屬電極稱為 gridline，如圖 2.9 所 示。Bus bar 的功能在於提供與外接線路銲接，使太陽能電池能一片接 著一片被串聯起來。金屬箔線串聯太陽能電池時，一端銲接於在正面 的busbar，另一端則接到電池反面的 busbar。Gridline 的功能主要在收 集自由載子，理論上，若太陽能電池上有越多的gridline。越能有效地 收集自由載子，提升發電效率。若數目太多，將遮蔽入射光的比例，
所以gridline 的排列與線寬必須經過最佳化設計[71]。太陽能電池金屬 電極的主要材料是由銀、鋁、玻璃粉及有機溶劑所組成，以網版印刷 (screen printing)的方式附著至電池上，再以紅外線或熱風烘烤的方法固 化成電極。製造過程中，活性物質必須能穿透抗反射層，所以技術關
鍵除了網版的線寬及金屬膏的成分比例之外，烘烤的時間及溫度也非 常重要[72]，電極的各材料係數如表 2-5 所列。
2.3.4 背面電場
當光子進入P-N二極體，有效產生自由載子之後，p型半導體的少 數載子(電子)有可能會在底部被復合，降低產生光電流的效率。能有效 阻止此情形發生的作法是Zhao等人[73]於2001年提出，利用擴散製程 在p型半導體底部製作一背面電場(back surface field, BSF)，當電子接近 底部時將被電場的效應所反彈，降低電子被復合的機率。目前業界由 於生產效率的考量，發展出與電極同樣的網版印刷製程，在p型半導體 底部塗上一層鋁漿(aluminium paste) ，鋁漿烘烤後會與半導體產生一 層矽-鋁共晶結構(Si-Al eutectic structure)，如圖2.10所示，而外層的鋁 材料可以使太陽能電池有更好的歐姆接觸。
利用銀漿及鋁漿分別製作電極及背面電場的方式雖然可大幅提升 生產效率，但這些材料的熱膨脹係數(thermal expansion coefficient, CTE)與楊氏係數(Young’s module)都與矽有很大差異，鋁漿的各材料係 數如表2-6所列[74-75]，尤其是作為金屬電極主要成分的銀之熱膨脹係 數與鋁相差達5-6倍。在烘烤固化的過程中，不同熱膨脹係的材料結合 在一起，會使太陽能電池產生翹曲(bending)，稱之為bow。此問題不僅 會在烘烤製程中使電池本身結構產生破壞，當進行電池的模組製程 時，甚至造成整體性的脆裂[76]。
矽-鋁共晶結構與矽晶圓的機械性質除熱膨脹係數及楊氏係數有 很大的不同外，兩種材料的破壞韌性也有很大的差異，多晶與單晶矽 材料的破壞韌性一般約在0.8-1.2 Mpa. m1/2之間。然而，共晶結構最大
可達到80 Mpa. m1/2 [77]，如此大的差異將使裂縫的成長不易橫跨兩種 材料。當太陽能電池上有一裂縫發生於矽材料中，裂縫在厚度方向的 成長經常會在兩材料的交界處停止或轉換方向，不易貫穿整個電池，
即使初始裂縫垂直基板，裂縫的成長也會停頓於共晶結構上緣。圖2.11 所示為太陽能電池剖面的SEM照片，圖中可看到一裂縫從電池正面的 抗反射層延伸至共晶結構後停止，且延伸走勢止於共晶結構的上緣。
具有裂縫的太陽能電池長時間置於戶外遭受陽光照射，電池受熱彎曲 將使裂縫往共晶結構延伸，最終形成貫穿型裂縫，進而造成整體脆裂。