聚焦型 III-V 族太陽電池模組
施天從、呂一璁 國立高雄應用科技大學 電子工程系 E-mail: [email protected]摘 要
在本文中我們製作砷化鎵雙接面太陽電池，其光電轉換效率比一般矽基太陽電池元件高，而所使用的 材料也比一般矽基太陽電池少，並加裝菲涅爾透鏡（Fresnel Lens）有效的增加聚光效益達到太陽電池受光 面積的 400 倍，並使用散熱座降低照光後溫度，再利用對焦技術將太陽電池封裝在最佳位置，多重水密封 裝使聚光型太陽電池模組可以使用於更嚴苛的環境，使 III-V 族化合物接面太陽電池（III-V dual-junction Solar Cell）能作最有效的應用。關鍵詞：III-V 族化合物雙接面太陽電池(III-V dual-junction Solar Cell)
1. 前 言
由於現今科技的發達，而目前人類對於能源的取得以煤、石油、天然氣等石化能源為主，然而石化燃 料大量的使用下，二氧化碳的排放量逐年增加，溫室效應問題日益嚴重造成全球氣候變化，原油儲量也逐 年下降，所以各國正在積極發展替代性能源。而替代性能源中再生能源的太陽能又頗受重視。因為太陽能 是一種無污染的再生能源，且根據估計太陽光照射地球一小時所產生的能量，相當於地球上人類一年的能 源使用量。 本文中模組所使用之太陽電池元件是使用砷化鎵雙接面太陽電池，因為目前太陽電池仍舊以矽為主要 材料，而我們知道矽在地球上的含量極為豐富，矽本身不具毒性且其氧化物穩性性高，因此矽在工業上的 應用也極為廣泛，但矽為間接能隙半導體，對光的吸收能力較差，所能達到的轉換效率也不高，所以對於 製作太陽電池來說並非是最理想的材料 [1]。因此 III-V 族化合物太陽電池具有較高轉換效率、高輻射阻抗、 可薄膜化及高溫操作等優點，可逐漸取代矽基板成為近幾年太陽電池發展的重點 [2]。然而在太陽能發電系 統的製造成本中，太陽電池佔了相當高的比例，為了節省太陽電池晶片的使用與擴大接收面積，也將我們 做好的太陽電池予以模組化以便對應日後的應用，所以在太陽電池模組中增加了可 400 倍聚光的菲涅爾透 鏡（Fresnel Lens）。當光線經由菲涅爾透鏡（Fresnel Lens）聚集在太陽電池上時，會因為產生的熱能造成 太陽電池轉換能量效率的下降，所以經過各層元件的熱組計算後於太陽電池元件底下加入了熱阻小的散熱 座，以降低聚光後的溫度，且因為菲涅爾透鏡（Fresnel Lens）需要平行光源聚焦，所以也架設了太陽電池 模組對焦用的平行光源，以便將太陽電池固定在聚光最佳處，並加上水密封裝以阻斷模組置放於室外受雨 水浸入的破壞。2.太陽電池工作原理
太陽電池是一種將所接收的光能轉成電能的光電元件，其最基本的構造為半導體的 PN 接面，當太陽電 池接收到光時，會吸收能量大於本身材料能帶隙（Energy Bandgap）的光子，使電子由價電帶（Valence Band） 躍升至導電帶（Conduction Band），而產生電子電洞對，當電子與電洞以擴散方式至 PN 接面的空乏區 （Deplention Region）時，會因 PN 接面的電場影響而分離，電子會因電場影響而往 N 型區域移動，反之電 ©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851洞會往 P 型區域移動而產生電流 [3]。
3. 砷化鎵雙接面太陽電池製作
首先我們必須先完成太陽電池表面電極的設計，表面電極的遮蔽率必須低於 5% [4]，避免入射光被表 面電極吸收而降低太陽電池的轉換效率先將磊晶片（磊晶片結構如圖一所示）作適當的表面清潔處理，再 來是拿正面電極的光罩作曝光，將要鍍上正面電極的部分顯影掉，接著放到金屬蒸鍍機（E-Gun）裡作正面 電極的蒸鍍，我們鍍上的金屬依序為-鈦、鉑、金，鍍完後先浸泡丙酮把除了要作正面電極的部分以外的金 屬作剝離（Lift-off）。接下來再放入金屬蒸鍍機（E-Gun）裡作背面電極的蒸鍍，依序鍍上的金屬為-鈦、鉑、 金。然後放入 RTA 作快速退火的動作。接著將磷酸、過氧化氫及純水調配適當比例以濕式蝕刻（Wet-etch） 方式將磊晶片最上層的（GaAs 層）蝕刻掉。然後再切割成一顆顆的太陽電池。 GaAs Substrate N-GaAs Buffer N-InGaP BSF LayerN-GaAs Base Layer P-GaAs Emitter Layer P-InGaP Window Layer
P-AlGaAs Layer N-GaAs Layer N-AlGaInP Layer N-InGaP Base Layer
U-InGaP
P-InGaP Emitter Layer P-InGaP Emitter Layer P-AlGaInP Window Layer
P-GaAs Contact Layer
GaAs Substrate N-GaAs Buffer N-InGaP BSF Layer
N-GaAs Base Layer P-GaAs Emitter Layer P-InGaP Window Layer
P-AlGaAs Layer N-GaAs Layer N-AlGaInP Layer N-InGaP Base Layer
U-InGaP
P-InGaP Emitter Layer P-InGaP Emitter Layer P-AlGaInP Window Layer
P-GaAs Contact Layer
MOCVD grow
P-metal photolithography
Ti/Pt/Au p-metal evaporate
Lift-off
Ti/Pt/Au n-metal evaporate GaAs contact layer etching
Anneal On-wafer testing Dicing Chip bonding Wire bonding Characterization 圖 2 砷化鎵雙接面太陽電池製作流程
4.太陽電池模組封裝製作
使用銀膠將太陽電池固定在導線架上，然後使用打線機（Wire-Bonder）將太陽電池正面電極與導線架 （Lead Fream）支腳以金線作連結，然後在導線架凹槽裡填入介電層樹脂以增加光的吸收並作為第一道的水 密。因為太陽電池的效率會隨著溫度的增加而變差，所以模組的散熱極為重要，於是我們找到一個體積較 小，熱阻為 5.29℃/W 的散熱底座，並架上 400 倍聚光的菲涅爾透鏡（如圖三所示），將導線架组以絕緣膠 固定於聚光對準用的鋁塊上並先把正、負極分別焊接出電線後將介電層樹脂填入對準用鋁塊，再將對準用 鋁塊連接上三相移動平台，再放置於散熱底座並以多重雷射準直模組打入光源後將太陽電池對準於聚光處 （如圖 4 所示），將太陽電池連接電流計以確定對準位置為短路電流最大處後再用散熱膠將鋁塊作固定。外 圍以壓克力板固定後再以矽膠將縫隙填補以作為第三道水密封裝。這樣便完成單一太陽電池模組的製作。400X聚光鏡 導線架 太陽電池 鋁塊 散熱片 400X聚光鏡 導線架 太陽電池 鋁塊 散熱片 圖 3 太陽電池模組示意圖 圖 4 太陽電池模組定為對準示意圖
5.量測結果
首先對我們所製作的砷化鎵雙接面太陽電池效率作驗證，以 1000W/m2 強度的光照射太陽電池，而太 陽電池的有效照光面積是 4mm2，所以照射在太陽電池上的總功率 4mW（如圖 5(a)所示），測得最大操作電 流為 0.38mA，最大操作電壓為 2.15V，如圖 5(b)所示最大功率為 0.654mW，填充因子（Fill Factor）為 79.6%， 可得太陽電池的轉換效率為 16.4%（未作抗反射層處理）。 對於太陽電池模組受熱後對發電效率的影響部分也作了測試，首先設定室溫為 22℃時發電效率為 100%，將溫度逐步上升至 70℃止，量測其發電效率的變化如以溫度 30℃為例其發電效率為 94%，確定晶 片受熱後發電效率劣化的程度可以推出晶片在工作溫度 50℃時劣化程度大約會是 17%~22%（如圖 6 所 示）。對於菲涅爾透鏡（Fresnel Lens）也作了光線入射角度對模組效率的影響，將太陽電池連接到移動平 台，固定模組位置並於模組上架設量測光源，然後量測開路電壓（Voc）及短路電流（Isc）最大值為中心點 來移動太陽電池位置，用來了解太陽電池封裝位置的偏差對於其開路電壓及短路電流的影響，如圖 7(a)所示為 X 軸移動量對開路電壓*短路電流的變化率，而圖 7(b)所示為 Y 軸移動量對開路電壓*短路電流的變化 率。 太陽電池未加裝聚光鏡與加裝聚光鏡後輸出功率的比較（如圖 8(a)所示），未加裝時最大輸出功率為 0.39mW，而加裝聚光鏡後輸出功率提高為 20.3mW 所以聚光效率大約為 52 倍填充因子也由 60%提升為 64% （如圖 8(b)所示）。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.5 1 1.5 2 2.5 操作電壓(V) 輸 出功率 (m W ) 圖 5(a) 操作電壓與操作電流關係圖 圖 5(b) 輸出功率與操作電壓關係圖 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 操作電壓(V) 操作電流( m A ) 光電流 暗電流(未照光) 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 溫度 發電 效率 劣化 率 圖 6 發電效率劣化比較 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% -2.0 -1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 X軸位置 變化 率 (% ) 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% -2.0 -1 .6 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Y軸位置 變化 率 (% ) 圖 7(a)X 軸位移動量對開路電壓*短路電流影響 圖 7(b)Y 軸位移動量對開路電壓*短路電流影響
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 0 1 2 3 V 輸 出功率( m W ) P1*20(mW) P2*20(mW) PC (mW) 圖 8(a) 太陽電池照光後輸出功率與加裝聚光鏡後輸出功率比較 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 V FF (% ) FF1 FF2 FFC 圖 8(b) 加裝聚光鏡前、後 Fill Factor 的變化
6. 結 論
在太陽電池對焦封裝技術及多重水密封裝和散熱功能上給予模組強大的後備，我們設計開發的太陽電 池定位對準機構提供了太陽電池更精準的封裝，減低因為封裝的誤差而降低的效率，實驗也得知水密封裝 方式對於太陽電池的工作溫度不會有太大的影響，並經由 COSMOS/Works 的模擬可以得知我們的太陽電池 模組在實際量測值與模擬結果並無明顯的差異。 我們使用的菲涅爾透鏡其聚光效率達到 52 倍，未來太陽電池模組可以使用更高聚光效率的菲涅爾透鏡 並搭配追日裝置以及儲電設備的使用，一定對往後的各項應用上有很大的幫助，有效達到減低危害地球環 境能源的使用。參考文獻
[1] Spanggaard, H. and Krebs, F.C., “Solar Energy Mater Solar Cells“, Vol. 83, No. 125, 2004.
[2] Lillington, D., Cotal, H. and Ermer Spectrolab, J., Inc, “32.3% EFFICIENT TRIPLE JUNCTION GaInP2/GaAs/Ge CONCENTRATOR SOLAR CELLS“, In AIAA-2000-2895, pp. 516~521, 2000.
[3] Nelson, J., “The Physics off solar cells,“ World Scientific, 2003.
