實際太陽電池構造

單 單 晶 晶 矽 矽 與 與 多 多 晶 晶 矽 矽 太 太 陽 陽 能 能 電 電 池 池 介 介 紹 紹

授課教師：吳知易 博士

太陽能電池教學影片

http://www.youtube.com/watch?v=SMnx5tFrDDc&feature=related

(1)太陽能電池介紹 (2)單晶矽棒生產過程

http://www.youtube.com/watch?v=dvKKvQQsrSc&playnext=1&list=PL3D048AA95CE3875F

(3)太陽能電池如何產生電

http://www.youtube.com/watch?v=K76r41jaGJg&feature=related

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實際太陽電池構造

實際太陽電池構造

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Energy conversion Energy conversion

efficiency efficiency

% 太陽電池之出力電能 100

×

= 進入太陽電池之太陽光 能 η

η _n ：太陽輻射之空氣質量通過條件為

AM-1.5,即入射光強度為100mW/cm ²

時，改變負荷條件所得最大電力輸出

之百分率

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太陽能電池之電壓

太陽能電池之電壓 - - 電流特 電流特 性 性

V

I

P

V

I

單晶矽太陽電池

1-1 概說 1-2 構造

1-3 單晶矽太陽電池之製作法 1-4 單晶矽太陽電池之高效率化 1-5 高效率單結晶矽太陽電池 1-6 今後的課題

1 1 - - 1 1 概 概 說 說

太陽電池以材料，可區分為矽系、化合物半導體系及其他 三種類。實用化之太陽電池大部分為Si系，結晶構造又細 分為單晶、多晶及非晶系三種。

10~18%

多晶矽 Poly Crystalline

Si、SiC、SiGe、SiH 6~9%

、SiO 非晶矽

Amorphou s

12~20%

單晶矽

Single Crystalline 晶矽

Crystalline

市場模組發 電轉換效率 半導體材料

種類

單晶矽太陽電池特徵 單晶矽太陽電池特徵

(1)太陽光密度極低，再加上Si材料本身對環境影響極低，

故實用上需要大面積的太陽電池。

(2)由單晶製造技術或p-n接合製作技術，為電子學上Si積体 電路之基礎技術，隨技術成熟而進步神速。

(3)Si之密度低，材料輕。特別是對應力相當強，即使厚度 在50μm以下之薄板，強度也夠。

(4)與多晶矽及非晶矽太陽電池比較，其轉換效率較高。

(5)發電特性及安定。

(6)能階構造屬於間接遷移型，太陽光吸收係數只有10³cm 程度，相當小。故吸收太陽光譜需要100μm厚之矽。

1 1 - - 2 2 構造 構造 – – (1) (1) 基本構造 基本構造

單晶矽太陽電池之基本電池結構顯示如下圖。使用的基 板，p型或n型皆可以，然而因p型中之電子少數擔體之 擴散距離比n型中之少數擔體之電洞要長，故為了加大 光電流，一般使用p型。

單晶矽

太陽電池構造

2. 2. 電極構造 電極構造

電極功用是將電池所產生之電力以最少損失取出，因此希 望有良好的毆姆性接觸、低的串聯電阻、接著強度高、焊 接性良好。代表的電極樣式如下圖所示，Finger寬度(間隙

):75μm(2mm)，127μm(4mm)，Bus bar之寬度 (數目 ):1mm(4)，0.25mm(4)。電極所占之面積一般在5~7%。

典型電極樣式(細線為Finger，白色中空線為Bus Bar粗線為帶狀電極)

BSR (Back surface reflector) 構造 構造

BSR構造(附BSF構造)

活用在裏面光的反射，而使在入射光徑上未

被Si所充分吸收，可在反射光徑上被吸收，以增

加光電流。

3. 3. 封存光之構造 封存光之構造 反射防止膜 反射防止膜

為了減少反射損失，使用折射率不 同之透明材料作成反射防止膜。

折射率 n Si之折射率為n

厚度 d 環境之折射率 n

入射光之波長λ n

= 1

λ=4nd，n ² =n si n o

4. 光封存構造成形法 4.

反射防止膜

使用於反射防止膜之材料的折射率列於下表。1層之反 射防止膜以折射率1.8~1.9之SiO最常使用。此外，CeO2

、Al2O3、Si3N4、SiO2及SiO2-TiO2也常使用。2層反射 防止膜時，使用TiO2與Ta2O₅等折射率大之材料。

各種材料的折射率

1.44 1.44 1.80~1.96

1.86 1.90 SiO2

MgF2

SiO2-TiO2

Al2O3

CeO₂

折射率 材料

1.80~1.90 2.00 2.00 2.20~2.26

2.30 SiO

SnO2

Si3N4

Ta2O5

TiO₂

折射率 材料

組織構造 組織構造

在Si(100)面上，以侵蝕所形成之(111)面金字 塔構造，為利用Hydrazine 60%溶液，於110度保 持10分時間，或1%NaOH水溶液，保持在沸騰狀 態5分鐘後可得。

Texture構造的模型圖

組織 組織 (Texture) (Texture) 構造 構造

如下圖示，在Si(100)面上以侵蝕液所形成之

(111)面微小四面體之金字塔群所構成的組織構造上

，再某一金字塔面上向下方反射之光，可活用為其 他的金字塔中進入之多重反射。就全體而言，可減 少反射。特別是進入Si內光受到折射。

Texture構造的概念

單晶矽太陽電池之製作法 單晶矽太陽電池之製作法

大體而言，分為基板用晶圓(wafer)製作過程及 電池(cell)製作過程。在此，因晶圓之製作過程與太 陽電池無直接關係，故論述重點放在單晶矽太陽電 池特有之電池製作過程。

單晶矽太陽電池之製作流程

單晶矽太陽電池之高效率化 單晶矽太陽電池之高效率化

1. 1. 理論效率 理論效率

太陽電池之能源轉換效率η，由電 池之最大出電力P m 及全體太陽光譜之光 入力比所決定

I ^m 、 V ^m 為最大電力之電流與電壓，

I _sc 、 V _oc 、 FF為短路電流，開放電壓及 曲線因子。

I

m m sc oc

m in in

P V I V FF

P P P

η ^{= = =}

太陽電池的光照射特性 太陽電池的光照射特性

太陽電池光照 射時之出力特 性圖，與性能 有關者為I

、 V

及FF三個 量。

太陽電池的光照射特性

2. 2. 高效率化基本考量 高效率化基本考量

現實太陽電池有以下之各項損失因素：

(1) 反射損失：半導體表面之反射，使太陽光無法全 部進入而產生之損失，使用反射防止膜及組織構 造可改善

(2) 透過損失：能量比禁制帶寬小之光子，不被半導 體吸收而透過，沒有被能量轉換，造成光電能源 轉換之損失結果。可被自由擔體吸收而存在。

(3) 光能之不完全利用損失：被半導體所吸收之光子

，若其能量大於禁制帶寬時，能量被半導體之結 晶格子吸收轉成熱而消失。

(4) 再結合損失：生成之電子與電洞在表面或半導體

(5) 電壓因子損失：利用p-n接合時，最大可取得之

(6) 曲線因子損失：半導體之電阻不為零及歐姆性接

PERC (

PERC ( passivated passivated emitter emitter rear cell)

rear cell) 電池 電池

太陽電池裡面passivation之重要性的PERC構造如下圖所 示。在表面及裡面以SiO₂膜做passivation，且在表面上形 成逆轉型金字塔構造，可減少表面反射。AM-1.5，25度 時，可達成J_sc

= 40.3mA/cm

= 696mV，FF = 0.814，

η = 22.8%之效果。

PERC之構造

PERL(Passivated

PERL(Passivated emitter rear emitter rear locally diffused)

locally diffused)

PERC可降體積內，表面及裡面之再結合速度，增加V

J

=42.9mA/cm

=696mV，FF=0.81，η=24.2%

之高效率。

PERL太陽電池構造

電極埋入式太陽電池 電極埋入式太陽電池

右下圖所示為埋入式電極(burried contact)之高效率太陽電池，此 太陽電池之製作工程步驟少即可成之。做成金字塔式之Texture 構造，以擴散接合形成後，做表面氧化。以雷射鑽頭將氧化膜 及擴散層刺穿，在深度40μm切成20μm之溝。AM-1.5，

100mW，28度之轉換效率18.6%(Jsc=38.0mA/cm²，Voc=609mV

，FF=0.802)

埋入式電極太陽電極構造

3. 3. 集光型太陽電池 集光型太陽電池

若不用排列式太陽電池，而以集光鏡或集光透鏡收集 入射光，以少數之電池來發電時，電池成本轉為集光 器、支持台、追尾裝置之成本，全體而言應該降低。

但集光用電池之效率不高，對整體系統而言沒什麼優 點。電池效率隨集光比之增加而增加，但若溫度也隨 之上升時，則效率降低。隨集光比之增加，轉換效率 η亦隨開放電壓V_oc對數比例增加，但因V_oc在p-n接合 之擴散電位近值上飽和，故η無法無限制增加。

今後的課題 今後的課題

現在單結晶矽太陽電池之實用化已達10×10cm²規 格。轉換效率也高，潮流動向以目前之製作法可 提高效率及降低成本至多少，雖然沒做詳細檢討

，但以模組化效率增加為今後最大課題。

短波長光之利用為經常課題，但對單晶矽而言，

尚無可用之提案。雖然採用寬間隙半導體與單晶 矽所形成積層構造，做為太陽電池之基波或可為 此範圍，但更不同之提案，如導入色素增加矽中 之短波長光轉換，可能有較高效率。

多晶矽太陽電池 多晶矽太陽電池

2-1 多晶矽材料之形成

2-2 結晶粒界之電氣特性及不活性化 2-3 接合構造及理論效率

2-4 太陽電池製造技術

2-5 未來展望

多晶矽太陽電池 多晶矽太陽電池

本節中所述多晶矽電池是以降低成本為第一 要務，效率為第二而開發出之太陽電池。

矽太陽電池，材料之光吸收係數小，為膜化 可能減少光電流，得不到高效率，故不受重視。

但若能將光封存在吸收層內，則薄膜也得到高光 電流，而且也有暗電流之減少效果，在理論上也 可達到高效率。薄膜且能吸收光者不一定為單晶

，非晶矽為最佳例子。

多晶矽材料之形成 多晶矽材料之形成

多晶矽太陽電池是將原材料價格中之結晶化部份盡 量降低，以降低Si電池之價格。單晶基板價格中

，可以降低成本之部分，可分為:

(1)原材料純度可降低至何種程度。

(2)含結晶化等之基板製造能源可降低至何種程度。

多晶矽太陽能電池構造

Hybrid solar cell (amorphous Si & thin

Hybrid solar cell (amorphous Si & thin-

-

film

polycrystal

Si)

矽中金屬不純物及其大 矽中金屬不純物及其大 略容許量 略容許量

矽材料為(1)金屬級矽(不純物濃度10^-2左右)，含有許多製造深準位之 重金屬，亦稱Life time killer，Donor及cceptor之製造元素以及大 量之氧氣、炭等。代表性不純物表示於下表。

矽中金屬不純物及其大略容許量

Ti V Fe Cr Ni Al B

P

0.001 0.002 0.02

0.1 0.8 160~250

80~200 2000~3000

50~200 30~90 Life time

killer

1500~4000 40~80 20~50 Dopant

容許量(p.p.m) 矽中金屬(p.p.m)

不純物

液相矽基板製造法 液相矽基板製造法

製作半導體結晶之方法可分為液相成長法與氣相法兩種，下圖 為製造太陽電池用矽基板之液相法。

液相矽基板製造法

Silso

Silso 製造裝置概略圖 製造裝置概略圖

太陽電池用晶圓之數 mm以上結晶粒徑需求。

Silso製造裝置概略圖

電磁鑄造法之理論圖 電磁鑄造法之理論圖

以連續供給原 料方式製長型Ingot 之電磁鑄造法，來 得到多晶Ingot也被 開發。其太陽電池 效率亦高，電磁鑄 造法之概略如左圖 所示。

電磁鑄造法之理論圖

S S - - Wed Wed 法原理 法原理

石墨與矽之溼洞性佳，雖然可與Si形成部分SiC，

但常用來製作多晶矽板。如利用網狀石墨片來製作矽 膜之S-Wed法(supported wed) 。速度超過1000cm²

/min

，效率為12%。

圖4-30 S-Wed法原理

Cast Ribbon

Cast Ribbon 法制備矽薄板 法制備矽薄板

在鑄造及片狀法之技術上，有利用片狀之Cavity回 收容器中注入熔融矽，以製作片狀Si晶圓稱為Cast

Ribbon法。雖為鑄造法，但無Ingot製作之高速切割問 題及切片損失，是一有力之製作法。

以Cast Ribbon法制

備矽薄板概念圖

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