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
oc :開路電壓(V)I
sc :短路電流(A)P
mp :最大輸出功率(W)V
mp:最大輸出功率時電壓(V)I
mp :最大輸出功率時電流(A)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
si厚度 d 環境之折射率 n
o入射光之波長λ n
o= 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
mm 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
sc、 V
oc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
內再結合,則不產生光電流。(5) 電壓因子損失:利用p-n接合時,最大可取得之
電壓為擴散電位,通常費米準位存在於禁制帶寬 內,故在相當於禁制帶寬之電壓以下。亦即,開 放電壓較低而造成損失。(6) 曲線因子損失:半導體之電阻不為零及歐姆性接
觸部位之電阻為串聯電阻,此外理想之p-n接合沒 有洩漏電流。而現實上因為漏洩電流,使p-n接合 上有並聯電阻出現。故此項包含串聯及並聯電阻 損失。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Jsc
= 40.3mA/cm
2,Voc= 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
oc 及Jsc是成功的。如下圖所示,裡面電極為局部的,以 B之擴散形成PERL構造。可達成AM-1.5,25度下,J
sc=42.9mA/cm
2,Voc=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Voc對數比例增加,但因Voc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-
-
filmfilm
polycrystalpolycrystal
Si)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
THANK YOU !!
英國Boathouse 太陽能遊艇
Solar shuttle