第二章 矽晶太陽能電池簡介
2.5 電致螢光法
太陽能電池製造過程中通常會產生一些缺陷，有些缺陷是經由人 為刻意造成的，例如摻雜產生的缺陷，所有的缺陷都會影響電池的光 電轉化效率及電池的壽命。缺陷影響電池的電性是可以被發展為有效 的檢測方法，例如：電致發光或光致發光方法就可以檢測太陽能電池 或其他半導體材料[12][15]。
半導體材料的能隙介於導體與絕緣體之間，本質半導體在穩定時 所有電子幾乎都是位在價電帶(valence band, VB)上，若給予穩定之半 導體一個順向偏壓，使產生高於能隙之能量，部分電子會被激發由價 電帶躍遷至導電帶，留下電洞在價電帶。被激發的電子在不穩定的情 形下，會與晶格碰撞，以熱或聲的形式釋出能量而掉至導電帶底部。
同樣的，高能量的電洞亦會掉至價電帶頂部，接著導電帶底部的電子 與價電帶的電洞會復合而發出光子，即電致螢光。半導體中的載子從 激發到復合的過程稱為生命週期，若應用在P-N二極體上，這些被激發 的電子與電洞各為p型及n型半導體中的少數載子，所以在P-N二極體中 又稱少數載子生命週期，所需的能量必須至少與材料之能隙相等，若 太小則無法有效激發電子或電洞至導電或價電帶。
半導體中的電子經由復合效應以輻射方式發光，不同材料會有不 同的激發能量與相對應的光譜圖，太陽能電池發出的光波長介於 950-1250 nm之間[78]，以此區間波長較靈敏的CCD 相機才能拍下太陽 能電池的輻射復合分佈圖像。太陽能電池的電致發光亮度正比於少數 載子的擴散長度，所以太陽能電池電致發光影像展現出太陽能電池擴 散長度的分佈特徵，透過EL照片可以有效地分析太陽能電池產生的缺 陷，例如裂紋、晶界等。圖2.13顯示無破壞之單晶及多晶矽太陽能電 池的EL照片。多晶矽太陽能電池由於晶格排列無特定的方向，會產生 許多晶格缺陷，也容易產生摻雜缺陷，通電後電池無法發出螢光，或
是光強度太弱，故EL照片呈現較暗的灰階。
表2-1 單晶矽材料各方向破壞韌性
Testing method Crack orientation K1C (MPa m1/2) Double cantilever beam {111} 0.94±0.03 Controlled flaw {111} 0.82±0.07
{110} 0.9±0.11 Four-point bending
{100} 0.95±0.05 Microindentation {110}/{112} 1±0.08
表 2-2 單晶矽材料常數
彈性常數(GPa) 熱膨脹係數(ppm/K) 密度(g/m3) 泊松比 Ex = 169
Ey = 169 Ez = 130 Gyz = 79.6 Gzx = 79.6 Gxy = 50.9
3.6 2.33 υyz = 0.36 υzx = 0.28 υxy = 0.064
表 2-3 多晶矽材料常數
彈性常數(GPa) 熱膨脹係(ppm/K) 密度(g/m3) 泊松比
160 2.6 2.33 0.28
表2-4 氮化矽材料常數(PECVD)
彈性常數(GPa) 熱膨脹係數(ppm/K) 密度(g/m3) 泊松比 168 2.6 2.7 0.23
表2-5 金屬電極材料常數
彈性常數(GPa) 熱膨脹係數(ppm/K) 密度(g/m3) 泊松比
72 18.9 10.5 0.28
表2-6 鋁漿材料常數
彈性常數(GPa) 熱膨脹係數(ppm/K) 密度(g/m3) 泊松比
43
用於單晶 5.5 用於多晶 3.7
2.7 0.35
Cathode
Si
P 型半導體 N 型半導體
電洞漂移電流
1.融化多晶矽 和摻雜物
2.注入<100>
方向晶種
3.長晶 4.拉晶 5.形成晶體並
留下殘留物
圖2.5 單晶矽晶片製作流程：(a) CZ 拉晶流程示意圖、(b)切邊、(c) 線切割切片。
(a)
(b)
(c)
矽熔漿
方向性凝固的多晶矽 多晶矽原料
石英坩鍋 加熱器
矽熔漿
方向性凝固的多晶矽 多晶矽原料
石英坩鍋 加熱器
(a)
矽熔漿
矽熔漿 方向性凝固
的多晶矽 矽熔漿 矽熔漿
矽熔漿 方向性凝固
的多晶矽 矽熔漿
(b)
(c)
圖2.6 多晶矽長晶方法示意圖，(a)坩鍋下降法：將多晶矽原料置於 石英坩鍋，熔化後將石英坩鍋下降冷卻; (b)澆鑄法：當多晶 矽原料熔化後，將矽熔漿倒入另一方形石英坩鍋中。
P型半導體 N 型半導體
具氮化矽抗反射層之 金字塔型表面 金屬電極
背面接觸
圖2.7 太陽能電池之基本構造；P-N 型半導體、抗反射層、金屬電 極、背面接觸，(a)外觀圖、(b)及各結構剖面的 SEM 圖。
(a)
(b)
[111]
入射光
[100]
[111]
入射光
[100]
圖2.8 矽晶片表面粗化結構，(a)利用表面粗糙結構降低入射光反射，
用以增加入射光子的吸收率，(b)單晶矽晶片上規律的金字塔 粗糙結構[61]，(c)多晶矽晶片上無規律的表面粗糙結構[60]。
(a)
(b) (c)
gridline busbar
圖2.9 太陽能電池上的電極，包括 busbar 與 gridline 兩種結構。
Si Al-Si BSF eutectic Porous Bulk Al
Si Al-Si BSF eutectic Porous Bulk Al
圖2.10 形成背面電場的鋁漿與太陽能電池固化後的結構示意圖，包 含共晶結構及多孔性鋁合金。
圖2.11 太陽能電池剖面圖，(a)單晶矽、(b)多晶矽裂縫從抗反層開始 延伸至矽-鋁共晶結構停止或轉彎。
(a)
(b)
圖2.12 太陽能電池串接示意圖: (a)單一太陽能電池、(b)太陽能電池之 串接，(c)太陽能電池模組示
強化玻璃
EVA 太陽能電池
EVA 強化玻璃 金屬銲線
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
圖2.13 矽晶太陽能電池 EL 照片：(a)單晶矽、(b)多晶矽