電子光斑干涉術應用於矽晶太陽能電池之裂縫檢測

國 立 交 通 大 學

機械工程學系博士班

博 士 論 文

電子光斑干涉術應用於矽晶太陽能電池

之裂縫檢測

Crack Detection in Crystalline Silicon

Photovoltaic Cells by Interferometric

Analysis of Electronic Speckle Patterns

研 究 生 : 温 子 逵

指導教授

: 尹 慶 中 博士

電子光斑干涉術應用於矽晶太陽能電池之裂縫檢測

Crack Detection in Crystalline Silicon Photovoltaic

Cells by Interferometric Analysis of

Electronic Speckle Patterns

研 究 生：温子逵 Student：Tzu-Kuei Wen

指導教授：尹慶中 博士 Advisor：Dr. Ching-Chung Yin

國 立 交 通 大 學

機 械 工 程 學 系

博 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Doctor of Philosophy in

Mechanical Engineering June 2012

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

致謝

長達八年的博士生涯終於在這篇致謝可以劃下句點了，對我而 言，博士學位不單只是文憑，是人生的一個挑戰，更是一段改變人生 的重要過程，所以我要認真的感謝身旁每一位人，謝謝你們的陪伴與 相挺。 首先要感謝雙親賜與我寶貴的生命及衣食無缺的生活，讓我無後 顧之憂的接受教育並完成博士學位。 從進入交通大學開始修業，承蒙恩師 尹慶中博士的提攜與照 顧，尤其在研究上給予耐心的指導，使我順利的取得博士學位，僅此 致上最誠摯的謝意，未來的日子我也將與實驗室繼續努力奮鬥。特別 感謝口試委員，馬劍清、揚哲化、章明、蕭國模等教授在百忙之中參 與子逵的論文口試並給予研究上寶貴的建議。 接著，我要感謝大哥温子稷給予我正面的人生態度與目標，與我 分享寶貴的讀書與工作經驗，並與大嫂一路扶持，讓我能有樂觀的心 態去面對人生每一次的挑戰。感謝二姊温又曄與二姊夫 Cin-ty Li 博 士夫婦在在論文投稿時，於英文寫作上的建議及指正，並給與許多寶 貴的經驗。 感謝人生第一份工作的主管，王總、鍾副總、簡經理、劉經理、 宋經理、Eric 卓、君鴻、碧聰給予嚴格的職場訓練，培養我正確的工 作態度。同事，博文、德倫、George、元煜、阿馨哥、Rita、Mei、 秀鳳、文軒、小胖老師、Jack、Jessica 陪伴我在血汗工廠只流汗不 流血。還有很感謝鴻海桌球社的球友，張協理、朱 Sir、張經理、游 律師等，每晚不停的打球，讓我在大陸的日子不感到寂寞與孤單。 感謝 NDE 實驗室成員，泰和、世民、育翔、多聞學長，德新、

阿光、俊傑學弟，同學建宇等在研究上的協助與指教。另外，感謝這 一路陪伴的朋友，長庚銲接實驗室的學長冠傑、憬鴻、文雄、大師兄 與同學曹宣、志閺，還有籃球場上的球友們。 最後，感謝在久元的長官標哥、副處、徐博給予合作機會並進入 公司服務。同事，冠霖、文君、文弘、阿瑋、Ben、Sam、佳明、Rex 等給予研究及工作上的協助。

目錄

中文摘要………..………. i 英文摘要……….……….. iii 致謝………....iv 目錄……….………….. vi 表目錄………... ix 圖目錄……….. x 第一章 緒論………... 1 1.1 研究動機……….. 1 1.2 文獻回顧……….. 3 1.2.1 太陽能電池及矽晶圓檢測之相關研究

………..……..

3 1.2.2 電子光斑干涉術之相關研究

………..

7 1.3 論文架構……….. 10 第二章 矽晶太陽能電池簡介………. 14 2.1 太陽能電池的發電原理……….. 14 2.1.1 P-N 接點………. 14 2.1.2 光電流產生………...………. 16 2.2 太陽能電池種類……….. 17 2.2.1 單晶矽晶片……… 18 2.2.2 多晶矽晶片……… 19 2.3 結晶矽太陽能電池的基本構造……….. 20

2.3.1 P-N 二極體……….……… 21 2.3.2 抗反射層……… 22 2.3.3 金屬電極……… 23 2.3.4 背面電場……… 24 2.4 太陽能電池模組……….. 25 2.5 電致螢光法……….. 25 第三章 研究方法及可行性評估………. 42 3.1 太陽能電池熱變形……….. 42 3.2 太陽能電池缺陷種類……….. 43 3.3 有限元素法數值分析……….. 44 3.3.1 數值模型的建立……… 44 3.3.2 邊界條件……… 45 3.3.3 無缺陷太陽能電池……… 45 3.3.4 含缺陷太陽能電池……… 46 3.4 裂縫成長的穩定性分析……….. 49 3.4.1 破壞分析與判斷準則………..…….. 50 3.4.2 裂縫應力強度因子計算與穩定性討論………. 51 第四章 實驗技術基本理論及架設………. 69 4.1 電子光斑干涉術基本理論……….. 69 4.1.1 光斑干涉術原理……… 69 4.1.2 面內位移的量測……… 71 4.1.3 面外位移的量測……… 74

4.2 太陽能電池裂縫檢測系統架設……….. 76 4.2.1 ESPI 量測系統……… 76 4.2.2 量測試片準備……… 79 第五章 結果與討論 ……… 91 5.1 實驗結果……….. 91 5.1.1 貫穿裂縫……… 92 5.1.2 表面裂縫……… 93 5.1.3 內部裂縫……… 94 5.2 檢測能力評估……….. 95 第六章 結論與展望……… 110 6.1 結論………..110 6.2 未來展望………. 111 參考文獻 ... 113

表目錄

表 2-1 結晶矽材料各方向破壞韌性………. 28 表 2-2 單晶矽材料常數………. 28 表 2-3 多晶矽材料常數………. 28 表 2-4 氮化矽材料常數(PECVD)………. 28 表 2-5 金屬電極材料常數……….. 29 表 2-6 鋁漿材料常數……….. 29

圖 目 錄

圖 1.1 矽晶太陽能電池的 (a)正面、(b)背面、(c)模組照片..………12 圖 1.2 美國內華達州(Mojave)沙漠中的太陽能電廠。(美聯社)…………13 圖 2.1 發電系統比較：(a)化學反應電池 (b)太陽能電池……….. 30 圖 2.2 二維空間的原子鍵結示意圖：(a)在室溫下，具有完整共價鍵的純 矽晶體，(b) n 型半導體，(c) p 型半導體，圖(c)中的空心圓代表電 洞………..31 圖 2.3 (a) P-N 結合，在接合區附近形成一個空乏區，區域內只有施體與 受體的正負離子，沒有自由載子，(b)P-N 接合中的漂移及擴散電 流示意圖………. 32 圖 2.4 太陽能電池光電流產生及發電示意圖，(a)光子在空乏區中產生的 漂移電流及 PN 半導體中產生的擴散電流、(b)光電流經由電極及 導線至外接負載………..33 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………..34 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，將矽熔湯倒入另一方形石英坩鍋中………. 35 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………..36 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]………37 圖 2.9 太陽能電池上的電極，包括 busbar 與 gridline 兩種結構……….. 38

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………. 38 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-鋁共晶結構停或轉彎。……… 39 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……… 40 圖 2.13 矽晶太陽能電池 EL 照片：(a)單晶矽、(b)多晶矽………...41 圖 3.1 研究方法流程圖……….… 54 圖 3.2 有限元素法建立之太陽能電池分析模型：(a)多晶矽、(b)單晶矽… ………..…………55 圖 3.3 實驗中所使用的三種邊界條件………. 56 圖 3.4 太陽能電池模型升溫 0.4℃(32.4-32℃)各方向位移分佈圖……… 57 圖 3.5 模擬太陽能電池受熱溫度與位移量關係圖: (a)多晶矽，(b)單晶矽. ……….... 58 圖 3.6 裂縫模型示意圖。(a)未施加任何負荷，裂縫呈一直線狀態(b) 施 加負荷後，內部的裂縫產生開口狀態(c)邊緣裂縫的形式……… 59 圖 3.7 太陽能電池模型上裂縫的延展方向，(a)多晶矽(b)單晶矽(c)三種缺 陷於深度方向截面的示意圖……….… 60 圖 3.8 比較三種典型的缺陷與無缺陷之太陽能電池模型，缺陷位移模型左 緣中央向內延伸 25mm，模型受熱 0.4℃(32.4-32℃)後所產生的面外 的等高線，(a)無缺陷(b)刮傷(c)表面裂縫(d)貫穿裂縫…... 61 圖 3.9 模擬 25mm 長的貫穿型裂縫於太陽能電池電池左側，於不同溫度間 隔下，裂縫面上的面外方向變形。(a)裂縫位於中央(b)裂縫位於 3/4 之 位 置 。 X 座 標 原 點 為 裂 縫 初 始 位 置 ， 25 mm 處 為 裂 縫 尖 端………. 62

下，裂縫面上的面外方向變形。(a)裂縫位於中央(b)裂縫位於 3/4 之 位 置 。 X 座 標 原 點 為 裂 縫 初 始 位 置 ， 25 mm 處 為 裂 縫 尖 端………. 63 圖 3.11 比較有裂縫與無裂縫之太陽能電池模型，受熱增溫 0.4℃(32.4-32℃) 於裂縫面位置上的面外方向位移，(a)裂縫位於中央、(b)裂縫位於 3/4 之位置。X 座標原點為裂縫初始位置，25 mm 處為裂縫尖 端……… ……… 64 圖 3.12 裂縫尖端的座標系統，以極座標方式表示………. 65 圖 3.13 二維裂縫模型示意圖……….… 65 圖 3.14 二維太陽能電池中的表面裂縫模型………... 66 圖 3.15 太陽能電池中的表面裂縫於不同溫度間格下，深度與應力強度因子 關係圖。裂縫位於模型(a)中央、(b)四分之一處……...…………. 67 圖 3.16 太陽能電池中的表面裂縫於 12.7g(自重)的負載下，深度與應力強度 因子關係圖。裂縫位於模型(a)中央、(b)四分之一處………..…. 68 圖 4.1 (a)光斑的形成，(b)以波長 532 的綠光雷射照射太陽能電表面所形成 的光斑圖形………... 81 圖4.2 ESPI面內位移量測：(a)基本光路圖、(b)實驗架構圖……… 82 圖4.3 ESPI面外位移量測：(a)基本光路圖、(b)實驗架構圖………... 83 圖 4.4 NEC TH9100MR 紅外線熱象儀拍攝的溫度分佈圖：(a)約 2 mm2面 積的破裂於太陽能電池左上角、(b)以加熱板將電池加熱，缺陷處溫 度傳遞不均勻……… 84 圖 4.5 於蜂鳴片上製作長度約 9 mm 未貫穿之缺陷，(a)裝置示意圖、 (b)ESPI 拍攝出蜂鳴片面外位移的干涉條紋………... 85 圖 4.6 波長 532 nm 綠光半導體雷射光源照片………... 86

圖 4.7 J-type 熱電偶……… ….. 86 圖 4.8 ESPI 量測系統實體照片………... 87 圖 4.9 太陽能電池固定於加熱裝置……...……….. 88 圖 4.10 太陽能電池等距離九宮格升溫之在時曲線..………... 88 圖 4.11 ESPI 量測系統在不同溫度間隔下，拍攝三個應變方向的光斑干涉條 紋………. 89 圖 4.12 維克氏硬度計施加 20kg 負荷於太陽能電池上所造成的十字形裂 縫：(a)光學顯微鏡照片、(b)SEM 照……….. 90 圖 5.1 無裂縫的太陽能電池在 ESPI 量測系統中所拍下的電子光斑干涉 圖形，升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)………. 98 圖 5.2 與圖 5.1 相同之無裂縫試片，在不同起始溫度下，所拍攝出辨識度 較差的電子光斑干涉圖形，(a) 25℃到 25.4 ℃、(b)49.6 ℃到 50℃ ………. 99 圖 5.3 長 38 mm 的貫穿裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a) EL 影像 (正面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下 的光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位 移 等 高 線 分 佈 圖 ， 位 移 範 圍 從 -2.1 至 2 mm ， 間 隔 為 0.266 µm………... 100 圖 5.4 長度 38 mm 的貫穿裂縫升溫 0.4℃(32.4-32℃)，裂縫面上的位移變 化：(a)實驗數據、(b)模擬數據………... 101 圖 5.5 長 22 mm 的表面裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正 面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的 光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移 等 高 線 分 佈 圖 。 位 移 範 圍 從 -1.8 至 2.1 mm ， 間 隔 為 0.266 µm………..……… 102 圖 5.6 長度 22 mm 的表面裂縫升溫 0.4℃(32.4 至 32℃)，裂縫面上的位移

變化：(a)實驗數據、(b)模擬數據……….. 103 圖 5.7 長 18 mm 的表面裂縫在單晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正 面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的 光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移 等 高 線 分 佈 圖 。 位 移 範 圍 從 -1.3 至 1.2 µm ， 間 隔 為 0.266 µm……….. 104 圖 5.8 直徑 33 mm 的內部裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正 面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的 光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移 等 高 線 分 佈 圖 。 位 移 範 圍 從 -1.6 至 1.2 µm ， 間 隔 為 0.266 µm……….. 105 圖 5.9 直徑 30 mm 的內部裂縫在多晶矽太陽能電池邊緣上，(a)EL 影像(正 面)、(b)在 ESPI 量測系統中以升溫間隔 0.4℃(32 至 32.4 ℃)拍下的 光斑干涉條紋影像(反面)、(c)以 FEM 模擬分析所呈現的面外位移 等高線分佈圖。位移範圍從-0.6 至 1.1 µm，間隔為 0.266 µm… 106 圖 5.10 太陽能電池表面缺陷：(a)表面刮傷、(b)表面裂縫………..……. 107 圖 5.11 模擬長 25 mm 的裂縫受熱後所產生的等高線，偏斜角度為表面裂縫 的深度比例的函數……… 108 圖 5.12 不同裂縫長度的 ESPI 影像……….. 109 圖 6.1 以脈衝方式加熱太陽能電池示意圖……….... 112

電子光斑干涉術應用於矽晶太陽能電池之裂縫檢測

研究生：温子逵 指導教授：尹慶中博士 國立交通大學機械工程學系博士班 摘 要 在太陽能電池製造過程中，裂縫缺陷是一非常普遍且嚴重的問 題。本研究採用電子光斑干涉術(ESPI)為量測工具，快速的確認及辨 識太陽能電池上的裂縫。研究步驟先數值分析有、無裂縫之太陽能電 池的熱變形，以確認方法的可行性，之後再以ESPI的面外變形量測系 統進行實驗。數值模擬及實驗量測皆顯示一致的結果，由面外位移的 等高線或干涉條紋可清楚判斷太陽能電池裂縫的存在，並量化顯現裂 縫的長度、位置及種類。光斑干涉條紋在表面刮傷、表面裂縫及貫穿 裂縫三種缺陷附近的特徵分別是連續的、V形狀及條紋斷裂。為了增 加本研究方法的參考價值，實驗以目前太陽能業界出貨檢驗標準的電 激螢光法(EL)作為對照，並討論兩種方法個別的優勢。EL影像雖然可 以掌握太陽能電池的所有缺陷，但無法如本研究方法清楚的分辨出裂 縫或僅稍微影響電性的表面刮傷。本研究方法之太陽能電池的熱變形 是在很小的加熱溫度(<0.5 o C)形成，卻可以使裂縫產生很高的辨識特 徵，又不會破壞太陽能電池，很適合應用於生產線上做即時的檢測。 關鍵字: 裂縫檢測，電子光斑干涉術(ESPI)，結晶矽太陽能電池

Crack Detection in Crystalline silicon Photovoltaic Cells by Interferometric Analysis of Electronic Speckle Patterns

Student：Tzu-Kuei Wen Advisor：Dr. Ching-Chung Yin

Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung University

ABSTRACT

Cracking is a common problem encountered during the fabrication of crystalline silicon photovoltaic (PV) cells. In this study, electronic speckle pattern interferometry (ESPI) is used as a tool for rapid identification of cracks in PV cells. Thermally induced cell deformation of defect-free and defect-bearing PV cells was first modeled with numerical simulations and then experimentally studied by optical configuration for ESPI measurement of out-of-plane deformations. Both numerical and experimental results indicate that the speckle patterns imparted during thermal deformation of a cell allow for simultaneous quantification of crack size, location and type in both single- and poly-crystalline PV cells. Speckle patterns near defects were manifested as continuous, chevron-shaped, and broken fringes for scratch, surface cracks, and through cracks, respectively. For comparison to other existing techniques, full field electroluminescent images were also provided for every defective PV cell. Electroluminescent imaging is capable of detecting cracks, but unlike ESPI, is unable to distinguish between the different types of cracks. Because the amount of heating needed to induce out-of-plane deformation resolvable by ESPI is small (<0.5 oC) and because ESPI is sensitive to crack type, the ESPI-based imaging study presented here can potentially be developed into a rapid, non-destructive inspection tool for the structural integrity of solar cells at any point within the manufacturing process.

Keywords: crack detection, electronic speckle pattern interferometry, crystalline silicon photovoltaic cell

第一章 緒 論

1.1 研究動機

由於科技發展不斷提升，人類長期對能源的需求增加，使得天然 資源越來越少，天然氣、石油、煤的蘊藏量逐漸減少。根據統計資料 顯示，石油將在 40 年後耗盡，因此替代能源的開發是不容怠慢的， 其中太陽能便是最潔淨的替代能源之ㄧ。 太陽能是太陽內部連續不斷的核反應過程產生的能量，太陽表面 所放射出來的能量，換算成電力約 3.8×1023 kW。太陽光經過 1.5×107 km 的距離，穿過大氣層到達地球表面的能量約有 1.8×1014 kW，為全 球每年平均所需電力的十萬倍。若能夠有效運用此能源，不僅能解決 消耗性能源的問題，連環保減碳的問題也可一併獲得解決。目前，德 國、美國、日本及以色列等國家已經大量使用太陽能電池(solar cell) 及模組裝置(圖 1.1)，德國更以智能電網模式，朝商業化的目標前進。 在這些國家中，美國於 1983 年在加州建立世界上最大的太陽能電 廠，它的發電量可高達 16 百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞及非 洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太 陽能電池發電系統，並在沙漠地區設置太陽能電廠，圖 1.2 所示為沙 漠中的太陽能發電廠。若將太陽能發電與核能發電作比較，太陽能發 電的成本約為核能發電的 3 倍，所以製造者皆以降低成本與提高轉換 效率為目標，提升太陽能電池的普及率。 太 陽 能 電 池 依 照 材 料 結 構 的 種 類 可 區 分 為 結 晶 矽 (crystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、III-V 族[包括: 磷化鎵銦(InGaP)、 磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)]、II-VI 族[包括:銻化鎘(CdTe)、硒化銦

銅 (CuInSe2)] 等 ， 其 中 結 晶 矽 太 陽 能 電 池 又 可 分 為 單 晶 矽 (single

crystalline silicon)與多晶矽(polycrystalline silicon)。目前太陽能電池市 場以成本較低的結晶矽為主流，約佔總市場的八成左右，其中又以多 晶矽太陽能電池佔多數。結晶矽太陽能電池的結構可分為矽晶片 (silicon substrate)、P-N 二極體、抗反射層(anti-reflection)、表面粗化 (texturing)和金屬電極等 5 個主要部分，每一部份皆有幾道製造程序， 導致在製造或運送過程中容易產生表面或隱藏於材料中的缺陷。 目前業界對太陽能電池的檢測僅侷限於電性的量測[1-2]，在生產 線上的標準作業流程，並無任何針對材料結構及機械強度的檢測，只 以人工目檢方式，挑檢出有明顯瑕疵產品。然而，僅有表面的瑕疵 (如：斷線、刮傷、破片等)能透過肉眼辨識，大部分的缺陷瑕疵無法 以肉眼鑑別。這類缺陷瑕疵的太陽能電池通常誤以為良品，導致在銲 線串接時產生破裂，甚至於太陽能電池組成模組、壓合成品時，模組 與玻璃層的接觸力過大，裂縫發生延伸，造成整片太陽能電池模組都 無法使用。一般市售太陽能電池的使用期約為 25 年，若無法對品質 作精確的檢測，將造成後續大量維修的費用，侵蝕太陽能電池業者的 利潤。架設於偏遠戶外的大型太陽能發電廠若需經常的不定期維修， 產生的費用甚至會造成虧損情形。因此，暗裂瑕疵的檢測是目前業界 檢測的重點，若能在前段製程發現這些缺陷或瑕疵，則可提升產品的 良率和避免成本的浪費。 本研究的主要目的是發展一套兼具高解析度且快速的檢測方 法，在不污染或破壞太陽能電池的情況下，有效檢測其裂縫缺陷。研 究方法採用加熱方式使太陽能電池產生微變形，藉由掌握加熱溫度與 邊界條件，使熱負載造成太陽能電池的面外及面內位移具有特定的分 佈。使用電子光斑干涉法(electronic speckle pattern interferometry, ESPI)

紀錄太陽能電池表面變形後的等位移分佈條紋，若試片有缺陷，於裂 縫處將產生熱變形不連續的情形，整體位移的分佈會重新排列。實驗 結果顯示有缺陷及無缺陷的太陽能電池的光斑干涉圖形有很大的差 異，由光斑干涉圖形還可判斷裂縫的位置及長度。同時採用目前業界 普遍接受的電激發螢光法(electroluminescence, EL)，作為太陽能電池 人工缺陷位置的對照。本論文亦使用有限元素法建立太陽能電池的熱 變形模型，模擬各種類裂縫受熱變形的位移分佈，於檢測實驗前評估 研究方法的可行性，預測系統的檢驗能力，並與實驗結果比較。

1.2 文獻回顧

1.2.1 太陽能電池及矽晶圓檢測之相關研究

太陽能電池的相關研究由於綠色能源議題逐漸被重視而提出，除 了材料及製程的研究及改良，針對電池品質的檢測研究，亦有許多相 關論文及專利，甚至發表或發展出檢測設備。太陽能電池的主要材料 為矽，部分針對矽晶圓(silicon wafer)缺陷檢測的研究亦可作為檢測太 陽電池的參考，本節將回顧幾種檢測太陽能電池或矽晶圓的研究方法 及電子光斑干涉術的發展歷史。

視覺檢測技術(visual inspection technology)為外觀瑕疵檢測使用 最頻繁且簡便的一種方式，隨著CCD (charge-coupled device)相機解析 度不斷的提升，可對待測物拍照，直接進行影像分析，此方法不施予 任何負載凸顯缺陷的存在。Zhuang等人[3]在2004年以CCD相機拍攝 太陽能電池照片，並轉換成灰階(gray transform)形式進行影像調校， 採用高斯拉普拉斯轉換(Gauss-Laplacian transform)演算法進行輪廓辨

識，與無缺陷試片的灰階值比對，判別是否存在缺陷，並尋出輪廓破 損或裂縫的位置。陳心怡[4]在2007年採用多選擇性的自動門檻值選 取法，作為太陽電池瑕疵檢測的方法，以檢測區塊內標準差作為判定 準則。若區塊的標準差非常小，表示無瑕疵存在，則直接將整個區塊 設為背景。若標準差夠大，採用以Otsu門檻(threshold)值法為基礎的 三值化，將區塊分為三個灰階，灰階值較小及較大的部份，代表較暗 及較亮瑕疵。對於具隨機紋理表面的多晶矽太陽能電池板，對比並不 是很明顯，採線偵測為基礎的方法，檢測出較亮的瑕疵。對於有規律 紋理表面的太陽能電池板，則使用紋理學習的方法檢測瑕疵，若得到 一個不相配的結果，表示此區塊內有瑕疵。同年，蔡欣儒[5]利用次 像素邊偵測、霍氏轉換、及最小平方誤差法等演算法來偵測太陽能電 池邊緣瑕疵。在線路瑕疵檢測中，將線路分為粗線(busbar)與細線 (finger)兩類，以追蹤檢驗的方式檢測粗線上的瑕疵，細線上的瑕疵則 由樣板比對的方法作檢測。 Kasai等人[6]在1983年將聲光(photoacoustic)效應運用在檢測矽晶 圓上，以自製的聲光顯微鏡(photoacoustic microscopy, PAM)觀察矽晶 圓表面成核時的堆疊缺陷(stacking fault)。實驗中，以聲光調變器 (acousto-optic modulator, AOM)調變光源頻率，使試片被照射區域(直 徑 約 10µm 的 圓 面 積 ) 受 到 不 同 頻 率 的 激 振 ， 利 用 壓 電 陶 瓷 (PZT ceramics)接收激振所產生的彈性波(elastic wave)訊號，若試片有缺陷 存在，產生的訊號將與無缺陷者不同，由訊號的振幅大小可推算缺陷 的深度。Berquez等人[7]於2003年提出不同調變頻率對應檢測範圍及 缺陷位置的關係，實驗的解析度為4 µm，為聲光效應檢測方式訂出規 格。聲光效應檢測方式雖能有效的檢測出矽晶圓表面及表面下的缺 陷，但必須以掃描試片的方式檢測，無法作一次性的全域檢測，比較

適合局部區域或小面積的檢測。若試片的面積較大且必須作全域性的 檢測，則需花費較長的時間，不適合應用於生產線的即時檢測。 Breitenstein等人[8-10]提出鎖相熱影像(lock-in thermography)法檢 測太陽能電池及模組。實驗以穩態的熱源加熱試片，針對電池於製程 中可能產生影響電性的缺陷(如：邊緣切割化、裂縫、孔洞、表面刮 傷、金屬燒結不良等)作檢測，以不同的頻率、溫度與相位等參數， 拍下振幅及相位改變的熱影像圖，並與電子束誘發電流儀(electron beam induced current, EBIC)、穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)及掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)等其他檢測方式做驗證比較。Dunlop與Halton[11]於2004年以穩 定脈衝的電流及氖氣燈兩種負載，施於太陽能電池或模組，使試片溫 度產生短暫上升，並以紅外線熱感應器作為偵測器，由熱影像的溫度 分佈狀況，檢測試片是否存在缺陷。熱影像檢測法依熱的傳遞狀況可 區分為穩態及非穩態，上述的兩種方法皆為穩態方式，前者為為固定 加熱方式，另一則是脈衝加熱。待測物加熱後，透過紅外線照相機 (infrared camera)，搭配溫度或鎖相的方式作訊號處理，可獲得待測物 溫度分佈的熱影像。近年來紅外線照相機的解析度大幅提升，熱影像 確實能有效的偵測出太陽能電池上的缺陷，但是鎖相造成訊號處理的 速度降低許多，且檢測環境有時必須在暗房，所以也不適合被應用在 線上檢測。 目前，業界對於太陽能電池及模組的檢測，最常使用的方法是觀 察太陽能電池的激發螢光(luminescence)影像，根據密度分佈判斷缺 陷。太陽能電池產生激發螢光的方式可依照外加負載方式的不同，分 為 電 激 發 螢 光 (electroluminescence, EL) 及 光 激 發 螢 光 (photoluminescence, PL)兩種。將太陽能電池施以電場負載或照射高能

量(短波長)的光，半導體材料的部分電子吸收足夠能量後，由價電帶 躍遷至導電帶，釋放出光或聲能，使元件內產生光或聲的增益(optical or acoustic gain)，若採用對於 950-1250 nm 波長區間較敏銳的近紅外 CCD 感光原件，可拍下試片的螢光密度分佈圖。分析激發螢光的圖 片資料，對應光譜中的特徵，可得知材料摻雜的雜質種類、能隙大小、 化合物中的組成成分、晶圓表面及表面下的缺陷，甚至奈米材料之量 子 點 的 尺 寸 、 載 子 傳 輸 路 徑 與 生 命 週 期 等 重 要 訊 息 [12-15] 。 Kasemann 等人[16-17]於 2006 年曾比較激發螢光影像及鎖相熱影像兩 種檢測法。本研究採用 EL 檢測法作為實驗的對照組，本文第二章將 針對此法作進一步的介紹。 除了上述幾種對於使太陽能電池，進行影像分析的檢測方式之 外，利用材料缺陷造成結構的改變，使能量傳遞的衰減率產生差異， 亦可成為檢測矽晶圓或太陽能電池的方法。Belyaev 等人[18]在 2006 年提出超音波共振法(resonance ultrasonic vibration, RUV)法檢測矽晶 圓，以超音波探頭接觸矽晶圓，使其產生振動，量測、分析面內共振 及頻率，根據共振頻率的平移及頻寬的變化，判斷太陽能電池是否有 缺陷或裂縫，並以自製的掃瞄式超音波顯微鏡(scanning acoustic microscope, SAM)檢驗試片作為對照，確認檢測法的正確性。Dallas 等人[19]於 2007 年延續同樣的方法檢測太陽能矽晶片，搭配有限元 素分析模擬，估算出裂縫長度，並增加實驗數據使此法降低誤判率， 並發表專利及製造成設備。 目前使用於太陽能電池檢測方法可歸納出三個重點：(1)高解析 度的檢測方式侷限於小區域，若要進行全域的檢測，檢測速率相對降 低，必須依賴昂貴的設備提高效率；(2)快速的檢測方式將使解析度 降低或無法確認缺陷位置；(3)太陽能電池的構造較複雜，文獻中的

檢測方式即使適用於矽晶圓，應用於太陽能電池上必須作調整。上述 三點正是目前線上量產的太陽能電池仍依賴作業員進行視覺及聽覺 檢測缺陷的主要原因，還沒有任何檢測設備可在生產線上直接對太陽 能電池作高效率的檢測。

1.2.2 電子光斑干涉術之相關研究

光斑(speckle)在早期被認為是光學量測中令人討厭的雜訊，在同 為量測物體表面位移變化的全像術中，更是盡力消除的雜點。Butters 與 Leendertz [20]於 1971 年提出光斑干涉術，利用雷射光照射在待測 物體與參考鏡面上，將兩道光反射進入電視攝影機(television camera) 後，於待測物變形前後各擷取一光斑圖形，將兩圖照度相減而獲得干 涉條紋，藉由分析干涉條紋獲得物體表面靜態或動態的位移[21]。此 法克服全像術許多先天的缺點，直接刺激了當時對光學量測研究的投 入與發展[22]。近幾年亦有研究將電子光斑干涉術與光學量測物體全 域變形的雲紋(moiré)法進行比較[23-24]。 光斑干涉術在發展初期是利用光電倍增管(photomultiplier tube, PMT)作為接收器，被拍下的干涉資料沒有任何適合的裝置可儲存， 在時間平均(time-average)及即時(real-time)的量測發展受到限制。 Spooren [25]於 1994 年提出以電荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)攝影機取代光導管作為光斑干涉的接收器，從此電子光斑干涉 術量測待測物的面外、面內位移變得較簡便，逐漸取代了記錄相對不 方便的全像術。之後，隨著 CCD 解析度的提升，電子光斑干涉法可 使量測的尺寸範圍越來越大，例如 Gülker 等人[26]於 1990 年將此法 應用於建築物牆壁的健康監控，Aswendt 等人[27]於 2003 年則針對晶

圓上的微機電(micro-electro-mechanical system, MEMS)結構作檢測。 電子光斑干涉術的量測應用可分為(1)待測物的動態振幅及相位 量測、(2)待測物表面的靜態位移及殘留應力量測。Butters 與 Leendertz 於 1971 年提出光斑干涉術，即用於量測物體由振動所造成的面外 (out-of-plane)位移。Løberg 與 Høgmoen [28-29]於 1976 年提出相位調 制(phase-modulation)結合時間平均的電子光斑干涉術，將相位變化圖 形以等高曲線(contour)呈現。在 1977 年，兩人再提出以干涉系統中 的參考光束(reference beam)加上相位調制方法，可紀錄振幅 200Å 的 微小振動相位變化[30]。Nakadate [31]於 1986 年提出相位平移光斑圖 形干涉術(phase-shifted speckle-pattern interferometry)，消除相位圖形 中雜訊所造成的模糊情形，只呈現出與待測物振動相關的相位圖，增 加干涉條紋之間的對比度，使亮暗相間的干涉條紋區隔得更清楚。電 子光斑干涉術應用於振動量測上，所使用的時間平均演算技巧及量測 動態位移的實驗架設，幾乎皆參考或延續 Jones 與 Wykes [22] 於 1989 年所提出的時間平均演算技術。Wang 等人[32]於 1996 提出振幅 變動(amplitude-fluctuation)電子光斑干涉術(AF-ESPI)，使參考物於頻 率一致、振幅不等的振動狀態下分別拍攝，結合時間平均及相位平移 的優點，使振動模態能更清楚的被拍攝，此技術亦為近年來電子光斑 干涉術於振動量測上一大突破。Ma 等人[33]於 2001 年則運用 AF-ESPI 於壓電材料及含裂紋板的振動問題。 電子光斑干涉術可量測物體表面的準靜態位移，擷取物體遭受外 力(例如機械力、壓力、熱應力等)作用後所產生的變形，透過干涉條 紋的分佈及數量可推算出待測物表面的應變量[34]。Leendertz 與 Butters[35]、Hung[36]分別於 1973 及 1974 以麥克森干涉儀的光學架 構，將待測平面轉一角度，使成像於像平面(image plane)的位置偏移

(shift) ， 稱 為 剪 切 光 斑 干 涉 干 涉 術 (image-shearing speckle pattern interferometer) ， 藉 由 此 技 術 量 測 待 測 物 表 面 的 翹 曲 度 (surface curvature)。Winther[37]於 1988 年以三組光纖在不同角度下照射待測 物體表面，利用三組入射光角度變化對應所產生的光斑干涉條紋，推 算平面位移及翹曲程度，再以內差方式模擬面外方向的位移，將物體 表面每一點三方向位移數據組合，重建三維的應變。 在 80 年代後期，ESPI 的光路架構及相關演算法都已發展成熟， 後續研究多以應用量測或監控待測物受熱、壓等外力作用後產生的變 形，並藉由光斑干涉條紋推算相對應的位移大小及分佈。物體在穩定 狀態中，不容易察覺發生於內部的裂縫或瑕疵，許多電子元件及產品 在工作時，伴隨溫度或壓力的升高而產生應變，裂縫由密合的狀態分 離、擴張甚至延展，當產生的變形超過結構的負荷時，會影響功能甚 至產生結構性破壞。ESPI 量測系統對於周邊環境所造成的誤差相對 於雲紋及全像術等光學量測系統小，可作全域性的變形量測，所以常 被應用於即時監測物體因溫度、壓力差異所產生變形擾動，快速診斷 元件的品質。 Nassim[38]等人於 1998 年以面內(僅 x 方向)及面外兩種 ESPI 光路

架構，即時監測面積 2×3 mm2_{矽氧化金屬功率元件(mos power device)}

在功率 1 瓦特(watt)下所產生的熱變形。Hack 及 Brönnimann[39]於 1999 年以面外 ESPI 架構，量測以碳纖複合材料(CFRP)與鋁兩種材料 做成的蜂巢板(honeycomb panel, 0.8×0.8 m2)，擷取溫度從室溫上升 20℃後的變形量，並與有限元素法的分析結果作比較。 Kim 等人[40]於 2003 年運用面外及剪切 ESPI 兩種方式檢測壓力 管件內部裂縫。管件於運作壓力提高時，裂縫附近應變增加，造成內 部裂縫被凸顯，控制壓力以剪切檢測方式估算裂縫數量，並以面外檢

測方式測量裂縫周圍的位移變化。Wang 與 Kido[41-42]於 2003 及 2004 年，在高溫及拉力等疲勞(fatigue)測試下，利用面內 ESPI 量測表面熱 噴塗陶瓷材料的 304 不鏽鋼的變形。試片在反復的拉力及溫度 (20-600℃ 負載後，產生表面裂縫及脫層，由面內 ESPI 量測法所拍下) 的干涉條紋獲得試片表面的變形分佈，並由條紋數估算表面應變大 小，與應變規(stain gauge)量測獲得的數據比較。Zarate 等人[43]於 2005 年，將 6061 鋁材料加熱至 225℃，使裂縫周圍與其他區域的變形量 不一致，再根據面外 ESPI 影像中的光斑干涉條紋分佈找出裂縫。

1.3 論文架構

本文共分為六章，第一章為緒論，說明研究動機，介紹目前業界 及學術研究單位對於結晶矽太陽能電池的檢測方法，並敘述電子光斑 干涉術的發展歷史及實際上的應用。 第二章介紹太陽能電池的基本構造、發電原理、製造流程，另外 介紹目前業界檢測太陽能電池缺陷所使用的電激發螢光法，與後續實 驗結果相互驗證、比較。 第三章為本研究方法的可行性評估，在實驗前以有限元素法建立 太陽能電池的模型，模型上建立邊緣及內部不同位置的裂縫，並依照 缺陷的深度區分為貫穿裂縫、表面裂縫與表面刮傷三種。在數值模型 上施予適當的熱負載及邊界條件，進行模擬分析，由分析結果說明本 研究的可行性。 第四章介紹電子光斑干涉術基本原理及本研究方法。電子光斑干 涉術依照光路架構不同，可分為面內及面外量測系統。待測物變形前 後產生的光斑強度及相位變化，經過影像處理後可獲得亮暗相間的干

涉條紋，條紋的分佈與數量即代表待測物變形的位移量，建立太陽能 電池受熱產生變形與干涉條紋的關係。 實驗方法說明如何架設實驗系統及太陽能電池之人工裂縫的製 作。實驗使用之 CCD 相機感應器(sensor)對於波長 532 nm 的綠光較 敏感，所以本檢測系統採用綠光雷射作為光源，透過空間濾波器將光 束放大，再經由分光鏡分光，將光源同時照射於參考物及待測物上。 檢測系統運用 LabVIEW 儀控軟體自動監控加熱溫度及控制 CCD 相 機的拍攝間隔。 第五章為實驗結果與討論，呈現本研究方法的實驗結果，並與電 激發螢光法及數值模擬的結果作比較及討論。針對裂縫的長度、深度 與變形量的關係作整理，進行檢測能力的評估。第六章為本研究結果 的結論，並對未來研究的方向作整理與規劃。

圖 1.1 太陽能電池的 (a)正面、(b)背面及(c)模組照片

(a) (b)

第二章 矽晶太陽能電池簡介

太陽能電池是一種利用光伏效應(photovoltaic effect)，將光能轉換 成電能的裝置[44]，Fritts[45]於 1894 年以金(Au)和硒(Se)及其他金屬， 做出第一個可於戶外運轉的太陽能電池。Chapin[46]等人則於 1954 年，以半導體製程做出轉換效率約6%的太陽能電池。一般的化學反應 電池為藉由氧化還原反應，把正極、負極活性物質的化學能轉化為電 能。太陽能電池則是藉由光子照射到半導體，使P-N 接點(P-N junction) 的兩端電極獲得電位差，產生可輸出功率的電壓，圖 2.1 表示電子於 化學反應電池與太陽能電池兩種不同的傳遞方式。

2.1 太陽能電池的發電原理

太陽輻射以可見光為主，其分佈範圍從0.3 µm 之紫外光到數微米 之外紅外光為主，若換算成光子的能量，則約在0.4 到 4 電子伏特(eV) 之間。當光線照射在太陽能電池材料時，若光子的能量小於半導體的 能隙(energy bandgap)，則光子不被半導體吸收，亦無法使該材料產生 電子-電洞對。當光子的能量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙 的能量將被半導體吸收，產生電子-電洞對，其餘的能量則以熱的形式 消耗掉[47]。

2.1.1 P-N 接點

所謂的 P-N 接點就是將 n 型半導體和 p 型半導體接觸在一起所形 成的接點。在矽材料摻雜(doping)少量 V 族元素之不純物，例如砷、磷、

鉍、鍗等，若晶格內一個矽原子被一個帶有五個價電子的砷原子取代， 如圖2.2(b)所示，晶格結構並不受影響，砷原子會傾向與周圍矽原子形 成共價鍵，其第五個價電子雖然仍被束縛，但因砷原子與周圍矽原子 形成共價鍵結，導致砷原子第五個價電子束縛能大幅減弱，能在接近 室溫下，就游離成導電電子。這種能夠提供導電電子的雜質稱做施體 (donor)，或 n 型摻雜，此種結合的原子會放棄電子，稱之為捐獻原子 (donor atom)。此時半導體材料內的導電電子數目由所摻雜濃度決定， 且一般遠大於本質載子濃度，傳導是由電子-負電荷主導，故稱之為 n 型半導體(n-type semiconductor)，材料內部的多數載子(majority carrier) 為自由電子，而少數載子(minority carrier)為電洞。 當矽材料摻入III 族元素，例如硼、鋁、鎵、銦等，晶格內一個矽 原子被一個帶有三個價電子的硼原子所取代，如圖2.2(c)所示，硼原子 會傾向與四個鄰近的矽原子形成共價鍵，但缺少一個價電子，就如同 共價鍵上有一個空洞。在接近室溫溫度下，其周圍矽原子所形成共價 鍵內的價電子就有可能游離，替補硼原子不足的價電子，而在價電帶 產生導電電洞，這種能夠提供電洞的雜質稱做受體(acceptor)。半導體 材料內的導電電洞數目由所摻雜雜質濃度來決定，傳導也是由代表正 電荷的電洞主導，所以稱之為 p 型半導體(p-type semiconductor)，此時 多數載子變為電洞，而自由電子成為少數載子。 一般P-N 接點是以摻雜少量 III 族元素的 p 型半導體作為基板，然 後再用高溫熱擴散(diffusion)的方式將 V 族材料摻入，此時即形成一個 P-N 二極體(diode)。n 型半導體內的過多電子會擴散到 p 型半導體 中，填補其內的電洞，在p 型半導體中的電洞則會向 n 型半導體擴散，

因此產生電荷的流動，稱為擴散電流Idiff(diffusion current)。在 P-N 接

region)，或稱為空間電荷區(space charge region)，空乏區不存在多餘的 自由電子與電洞，如圖2.3(a)所示。然而，n 型半導體的過多電子並不 能無限制的往左邊移動，因為帶電離子在接點附近產生一電場，此一 電場會排斥少數載子，電子在接近 p 型半導體時，會受到受體負電荷 之排斥力。同理，左邊 p 型半導體之電洞在接近接合處，也會受到施 體正電荷的排斥力。在接合面之正負離子排斥少數載子所造成的電流

稱為漂移電流I_drift(drift current)或稱為逆向飽和電流，方向與擴散電子

流相反。到達平衡時，在任一位置的漂移和擴散電子流會完全抵銷， 如 圖 2.3(b) 所 示 ， 總 電 子 流 及 總 電 洞 流 均 為 零 ， 二 極 體 電 流 0 = + =I_diff I_drift I 。

2.1.2 光電流產生

太陽光照射在太陽能電池上所產生的光電流，可分為兩個部分作 討論，第一為空乏區所產生的漂移電流，第二為空乏區以外 p 型及 n 型半導體所產生的少數載子擴散電流。當太陽光照射在兩端點連接的 P-N 接點時，光子會在空乏區內產生電子-電洞對，並受内建電場影響， 電子會向 n 型半導體區漂移，電洞則會向 p 型半導體漂移，產生由 n 型流向 p 型的漂移電流。而光子在空乏區以外之 n 型及 p 型半導體區 內-準電中性(quasi-neutral)區域中被吸收，亦會產生光電流。在準電中 性區域所產生的電子-電洞對，由於缺少内建電場的作用，且多數載子 濃度基本上不受光照的效應而有明顯改變，所以光電流是由少數載子 決定的擴散電流。以 p 型半導體為例，準電中性區域的少數載子為電 子，由於空乏區靠近 p 型半導體端區域內的電子不斷流向 n 型半導體 區，造成該區域的電子濃度較低，p 型準電中性區域內由於光照產生

的電子就會往 n 型區方向擴散，形成擴散電流。同理，n 型準電中性 區域的少數載子-電洞，亦會形成往 p 型區方向擴散的擴散電流，圖 2.4(b)為太陽能電池發電示意圖。 當P-N 二極體受到光照而產生超額載子(excess carrier)後，準電中 性區域會開始產生由高濃度往低濃度的擴散效應，此過程中亦伴隨著 被原有平衡態的載子復合(recombination)同時發生，進而回復平衡態。 自由載子在被復合前所能擴散的時間稱為生命週期(lifetime)，距離稱 之為擴散長度(diffusion length)。然而，p 型半導體的超額少數載子(電 子)比 n 型中超額少數載子(電洞)的擴散長度來得長，即 p 型半導體中 的自由載子將有較高的機率被收集為光電流。因此，太陽能電池所使 用的晶片雖然可分為 p 型或 n 型兩種，但一般都會選擇 p 型作為基底 (substrate)，增加自由載子的收集。

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。

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。

2.4 太陽能電池模組

太陽能電池模組是由太陽能電池串聯及並聯組合成的，如圖 2.12 所示，電池的串接通常是將金屬箔片銲接於正面的電極或匯流排，箔 片的另外一端則接到另一電池的背面。戶外型的太陽能電池，必須能 夠至少操作20 年以上，所以太陽能電池模組需要考慮承受機械負載、 避免環境污染的影響、承受雨水侵蝕與溫度的變化、提高安全性等設 計因子。 圖 2.12(c)所示為典型的太陽能電池模組結構示意圖，在太陽能電 池正、反面各有一保護層，材質為高分子塑膠乙烯-醋酸乙烯共聚物 (ethylene-vinyl-acetate)，最上及最下層為必須有足夠的透光性及機械強 度的強化玻璃(chemical glass)。太陽能電池串聯後與高分子塑膠板及強 化玻璃堆疊完成，一同放入層壓機(laminator)上做真空封裝，即成為市 售上的太陽能電池模組[2]。

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

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

Electrolyte

Anode

-+

-Cathode

Electrolyte

Anode

-+

-P

N

Light e

-P

N

Light e

-圖2.1 發電系統比較：(a)化學反應電池、(b)太陽能電池 (a) (b)

Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si4+Si4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ (a) Si 4+ Si 4+ Si4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si4+ As 5+ As 5+ As 5+ As 5+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ SiSi4+4+ B 3+ B 3+ B 3+ B 3+ B 3+ B 3+ B 3+ B 3+ (b) (c) 圖2.2 二維空間的原子鍵結示意圖：(a)在室溫下，具有完整共價鍵的 純矽晶體、(b) n 型半導體、(c) p 型半導體，圖(c)中的空心圓代 表電洞

P 型半導體 N 型半導體 空 乏 區 -+ ++ - -多數載子-電洞 少數載子-電子 多數載子-電子 少數載子-電洞 擴散電子流 擴散電洞流 + + + ++ ++ + ++ ++ + -- -- -+ - -+ -+ - -+ -+ (a) 少數載子-電子受到負 離子排斥往n型區漂移 少數載子-電洞受到正 離子排斥往p型區漂移 漂移電流 擴散電流 漂移電洞流 漂移電子流 -+ ++ ++ + ++ ++ + ++ ++ -- -- -+ + + - -+ -+ - -+ -+ - -+ -+ (b) 圖2.3 (a) P-N 接點，在接合區附近形成一個空乏區，區域內只有施 體與受體的正負離子，沒有自由載子，(b)P-N 接合區中的漂移 及擴散電流示意圖。

電洞漂移電流 電子擴散電流 -+ ++ ++ + ++ ++ + ++ ++ -- -- -- ₊ - -+ - - -- -

-P

P

P

N

N

N

電洞擴散電流 + + + + -+ 電子漂移電流 + -+ + -+ + -+ + -+ 背面電極 P-型半導體 N-型半導體 電極 電極 電洞 電洞 電洞 電子 電子 電子 太陽

+

-背面電極 P-型半導體 N-型半導體 電極 電極 電洞 電洞 電洞 電子 電子 電子 太陽

+

-圖2.4 太陽能電池光電流產生及發電示意圖，(a)光子在空乏區中產 生的漂移電流及PN 半導體中產生的擴散電流；(b)光電流經 由電極及導線至外接負載。 (a) (b)

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

BSF

Al-Si

eutectic

Porous

Bulk Al

Si

BSF

Al-Si

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)

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

第三章 研究方法及可行性評估

太陽能電池的正、反面電極與矽材料的熱膨脹係數不同，太陽能 電池受熱時會發生彎曲變形。倘若電池存有裂縫或缺陷，將會在裂縫 面兩側產生不連續的變形。本研究應用此力學特性作為偵測太陽能電

池是否存在裂縫缺陷的依據，檢測系統的開發程序如圖3.1 所示。本

章說明以有限元素法(Finite element method, FEM)數值模擬太陽能電 池的熱變形，檢測實驗的架設與結果則分別於第四及第五章說明。 透過數值模擬分析，可瞭解太陽能電池受熱變的位移分量大小， 選擇以太陽能電池的面外或面內變形位移作為 ESPI 的量測標的，與 實驗試片近似的邊界及負荷條件的模擬結果亦可作為實驗結果的比 較參考。數值模擬除了與實驗相同探討位於試片邊緣及內部的兩種缺 陷，並依照缺陷的深度區分為貫穿、非貫穿裂縫與表面刮傷三種情 形，在相同加熱溫度下比較模擬結果的差異。最後，本章應用破壞力 學分析探討太陽能電池裂縫深度的穩定性。

3.1 太陽能電池的熱變形

太陽能電池結構類似於薄的複和材料層板，參考 Zehnder 等人[79] 在 2005 年所提出的研究，若薄板有破壞存在，受到彎曲、扭曲等作 用時，產生的面外方向變形會比面內變形明顯。太陽能電池受熱而產 生變形的過程中，由於正反面電極的銀材料，背面的鋁材料層與結晶 矽的熱膨脹係數不同，造成電池發生明顯的彎曲變形，面外方向會有 較大的位移變化量。 太陽能電池由幾種不同的材料所構成，與主要成分的矽晶片相