chapter 5 單晶矽及多晶矽太陽能電池　

第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P

1

Chapter 5 Chapter 5 單晶矽及多晶矽太陽能電池　單晶矽及多晶矽太陽能電池　5-1 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進5-2 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結構及其特性

5-3 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術


2

內容大綱內容大綱• 本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分：

– 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進– 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結構及其特性– 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術

126


3

• 多晶矽的製作方法，乃是將自然的矽砂，利用電爐還原成純度為 98.0% 以上的冶金級金屬矽，其次地將冶金級金屬矽製作成高純度矽烷系列氣體 ( 如三氯矽烷或矽烷 ) ，再利用還原以及熱分解法，將高純度矽烷系列氣體，製作出高純度的多晶矽顆粒。• 單晶矽的製作方法，則是將多晶矽顆粒利用柴可夫斯基長晶法 (Czochralski Crystal Growth, CZ) 或浮動帶熔融長晶法 (Floating Zone Crystal Growth, FZ)，成長出圓柱狀的單晶棒錠，其次地利用內圓周型的薄刀鋸，切割成一片一片的圓形晶圓片；加工後的矽晶圓片存有應變及污染，因而使用的氫氟酸 (HF) 與硝酸 (HNO3) 等所配成的混合酸，進行矽晶圓片表面侵蝕及洗淨。

5-1-1 單晶矽太陽能電池的發展及其演進126


4

• 日本日立製作所公司，開發出兩面受光型太陽能電池及其模組 (Bifacial Photovoltaic Solar Cell and Module)，所使用的材料是單晶矽晶圓片；

• 所謂的表裏兩面意指太陽能電池胞的前表面或正表面 (Front Surface) 以及其背表面或裏表面 (Rear Surface) 等部分，其間的半導體材料是高效率而信賴性良好的單晶矽。此種類型的太陽能電池胞，稱之為 B3太陽能電池胞；亦就是兩面受光型太陽能電池胞具有硼擴散式的背表面電場 (B3-Bifacial Cell with Boron Diffused Back Surface Field)。

127


5

兩面受光型太陽能電池胞的基本結構，是一種 n-p-p 堆疊而成的構造

128

正面電極抗反射膜

氧化膜

n層

p層

氧化膜

背面電極

任意型尖錐體

任意型尖錐體

p -矽

圖 5-1 　兩面受光型太陽能電池胞的基本結構示意圖


6

典型的結構以及其外觀尺寸示意圖

129

圖 5-2 兩面受光型太陽能電池模組的基本結構

EVA

透明強化玻璃或強化樹脂

透明強化玻璃

EVA

太陽能電池胞

連接器

導線終端盒

模組

太陽能電池

125

125

終端盒結構 (A-A 截面 )

終端盒

玻璃

玻璃

175

149


7

130

圖 5-3 　兩面受光型太陽能電池的輸出特性 (a) 以及發電特性 (b) 的關係圖


8

• 　在日間發電輸出部分，其發電特性是發電輸出與時刻 (Watt/m2 vs. Time) 之間的關係。從此一關係圖之中，可以得知在正午的時刻，其發電輸出量是最大值的；此外，在正午的前後時刻，東西向垂直設置方式的兩面受光型太陽能電池，將出現兩個尖峰最大值的發電輸出量。

• 　　在年間發電量部分，發電特性則是年間發電量與設置方位角 (kWh/m2/year vs. degree) 之間的關係。兩面受光型太陽能電池的年間發電量，是不隨著其設置方位角的變化而改變的，故其年間發電量是保持一定值的，而且沒有最適化傾斜設置方式的問題。

131


9

5-1-2 5-1-2 多晶矽太陽能電池的發展及其演進多晶矽太陽能電池的發展及其演進• 多晶矽材料所製作的太陽電池，在製作過程以及成本上均

比單晶矽太陽電池的要來得少；但是，多晶矽太陽電池的能量轉換效率，因晶界的存在以及懸吊鍵的增加而變得較低些。當結晶晶粒愈大的話，其晶界存在較少而能量轉換效率將與單晶矽太陽電池的愈近似的；但是，結晶晶粒愈小的話，其晶界存在較多而鍵結性變差，而容易地產生許多的懸吊鍵，進而促使其能量轉換效率變得愈差些。

131


10

• 在 2007年的產業報告顯示，全球多晶矽晶圓材料的生產廠商，有美國的 Hemlock公司、德國的 Wacker公司、挪威的 REC (Renewable Energy Corporation)

公司、日本的 Tokuyama公司、美國的 MEMC公司、日本的 Mitsubishi公司、以及日本的 Sumitomo公司等，約佔全球生產量的 95.0% 左右，而 5.0% 左右則是其它較小生產規模的廠商所分享的。

132


11

5-2-15-2-1 單晶矽太陽能電池基本結構及其特性單晶矽太陽能電池基本結構及其特性 133

(a)一般接合型構造

n型 Si p型 Si

格子狀電極

背面電極

n型 Si p型 Si

(b)淺接合型構造

格子狀電極

背面電極

n型 Si薄膜p 型 Si

n型 Si p型 Si 背表面場摻雜

(c)背表面場型構造

格子狀電極

背面電極

n型 Sip 型 Si背表面場摻雜

圖 5-4 單晶矽太陽能電池的基本結構，有一般接合型構造、淺接合型構造、以及背表面場型構造等三種


12

134

圖 5-5 光電流的產生是由擴散電流以及漂移電流等兩種不同物理機制的電流所組成的

聲子 ( 熱量子 ) 發射

電子傳輸

n 型電功率( 開路電壓短路電流 )

背面電極空間電荷區域

( 空乏區域 )

電子傳輸表面電極

短波長光

中波長光

長波長光

p 型F(E )

費米能階

(Exciton)激發子

e ee e

e

hhhh

h

F(E )費米能階


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5-2-25-2-2 多晶矽太陽能電池基本結構及其特多晶矽太陽能電池基本結構及其特性性

135

• 多晶矽太陽能電池的種類，有塊狀 (Bulk-Like)、薄膜狀 (Film-Like)、以及球狀 (Spherical or Ball-Like) 等三種。

• 　在薄膜狀太陽能電池的種類方面，有單一接面式 (Single Junction)、雙重接面式 (Twin Junction)、以及多重接面式 (Multiple Junction or Multijunction) 等；其代表性的結構示意圖，如圖5-6所示


14

135

圖 5-6 單一接面式的 (a) 、雙重接面式的 (b) 、以及多重接面式的 (c) 結構示意圖

ITO 薄膜層

p 型薄膜層

i 型薄膜層( 非晶矽 )

n 型薄膜層抗反射薄膜層

基板

格子狀電極格子狀電極格子狀電極

抗反射薄膜層

基板基板

pinpin

pin

pin

(a) 單一接面式的 (b) 雙重接面式的 (c) 多重接面式的


15

塊狀的太陽能電池塊狀的太陽能電池 (Bulk-Like Solar Cell)(Bulk-Like Solar Cell) • 塊狀多晶矽材料，是以熔融的矽鑄造固化而形成的，因為

其製程簡單的，故成本較低的。• 在矽晶圓型太陽能電池模組的成本方面，其主要的成本是

來自於矽晶圓片、太陽能電池胞製程、以及太陽能電池模組組合等，其成本的比例分別地是 65.0%、 10.0%、以及 25.0% 等，而且此一成本結構也會隨著市場需求以及新技術的開發，而產生相對地變化的。

136


16

薄膜狀的太陽能電池薄膜狀的太陽能電池 (Film-Like Solar (Film-Like Solar Cell)Cell) • 薄膜狀多晶矽材料，是以氣相或液相化學沉積方式而形成

的，因為其製程複雜些的，故其成本較高的。薄膜狀的多晶矽是形成於矽晶圓片、塑膠片、金屬片、或玻璃片等基板材料表面。

• 在薄膜狀太陽能電池的結構上差異，而有單一接面式的、雙重接面式的、以及多重接面式的或堆疊式的等三種。多重接面式的薄膜太陽能電池，則是高光電轉換效率的堆疊式薄膜太陽能電池。

137


17

139

圖 5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體


18

139

圖 5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體


19

惰性氣體氣壓

熔融矽坩鍋加熱器

球狀矽

鋁板

滴下爐區域

自由落體高塔區域

圖 5-8 滴下成型設備系統的基本結構圖


20

• 氫鈍化處理 (Hydrogen Passivation Treatment) : 在球狀矽太陽能電池之內，所存在缺陷、晶界、雙晶、以及差排的分布，可以經由射頻氫氣電漿處理，使得接面區域的懸吊鍵結失去活性化而產生鈍化效應，此種方式稱之。

• 一般氫鈍化處理的製程條件，是 1.5 Torr氣壓、 125

mWatt/cm2射頻功率密度、以及 400C 溫度，進行兩個小時的氫電漿化處理。

140


21

141

圖 5-9 球狀矽太陽能電池在氫鈍化處理之前與之後，其輸出特性以及量子轉換效率

2 3 4 5 6 7 8 9234

56

78

9

氫鈍化前效率 (%)

氫鈍化後效率

(%)

加熱器

試片平台

球狀矽顆粒

氣體氣體

電漿

振盪器

渦輪式分子幫浦

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

5

10

15

20

25

200 400 600 800 1000 12000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0氫鈍化前

氫鈍化後

之前之後

15.918.5

0.4520.490

0.6950.719

4.996.52

sc2

I(mA / cm )

ocV(V) FF

Eff(%)

氫鈍化前

氫鈍化後

波長 (nm)電壓 (V)

外部量子效率


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(1) (p 型矽球形成 ) ( 滴下成形 )

(2) 磷蒸氣擴散 (p-n 接面形成 )

(3) 研磨 (p-n 分離 )

(4) 電極形成 ( 印刷 / 燒 )

(5) 缺陷鈍化 ( 氫電漿處理 )

(6) 抗反射膜 ( 液相蒸發沉積 )

入射光

p-電極

n-電極

(7) 置入反射杯體

p-矽 p-矽

n-矽

圖 5-10 一般球狀矽太陽能電池的製作流程

142


23

5-2-35-2-3 多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性• 微結晶多層接面式堆疊太陽能電池 (Micromorph Tandem Photovoltaic Module)，乃是在非晶矽 (Amorphous Silicon) 薄膜表面，堆疊不同的微結晶矽 (Microcrystalline Silicon) 薄膜，以形成兩層以上的多層接面式堆疊結構。

• 此種類型的太陽能電池，具有良好的透視性、低傾斜角而高密度屋頂設置、以及建材或壁牆一體化應用等。• 一般代表性的輸出特性，最大輸出電功率是 130瓦特 (Watt)，最大輸出動作電流是 1.29安培 (A)，以及最大輸出動作電壓 101伏特 (V) 等；而短路電流是1.53安培 (A)，開路電壓是 131伏特 (V)，以及最大系統電壓是 600伏特 (V) 等。

142


24

5-2-35-2-3 多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性性

144

圖 5-11 在不同溫度 (a) 以及照射強度 (b) 之下，微結晶多層接面式堆疊太陽能電池的電壓 - 電流特性圖

(a) 不同溫度

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

電流

(A)

0 10 20 30 40電壓 (V)

50

75 C

50 C

25 C

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

電流

(A)

0 10 20 30電壓 (V)

(b) 不同照射強度

21000 W / m

2800 W / m

2600 W / m

2400 W / m2200 W / m

40


25

144

圖 5-12並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式

並列式接線

直列式接線


26

5-3-15-3-1 單晶矽太陽能電池的製程技術單晶矽太陽能電池的製程技術 145

圖 5-13 以規則性以及週期性進行三度空間分布地排列而成的鑽石結構

鑽石結構


27

145

圖 5-14 非晶矽的、多晶矽的、以及單晶矽的三種不同的結晶型態

非晶矽多晶矽單晶矽


28

146

圖 5-15 柴可夫斯基長晶法 (a) 以及浮動帶熔融長晶法 (b)

(1)多晶矽置入耐高溫坩鍋

(3)晶圓背成長

(5)晶圓柱體拉晶

(2)

( 1400 C)晶種置入熔融矽液之中溫度

(4)晶圓柱體成長

(6)晶體尾端成長

氬

晶種固定器

晶種

單晶體柱

矽坩鍋

石墨基底

固 -液接面

(a)

熔融區

多晶矽供應棒

熔融區晶體柱

晶種晶種固定器

(b)

感應線圈感應線圈


29

147

圖 5-16 零度空間型的點缺陷、一度空間型的線缺陷、二度空間型的面缺陷、以及三度空間型的體缺陷

三度空間的體缺陷

(1) 空洞 (Void)

(2) 析出物 (Precipitate)

(3) 突出物 (Hillock)

零度空間的點缺陷

(1) 空孔 (Vacancy)

(2) 置入型雜質 (Interstial Impurity)

(3) 取代型雜質 (Substitional Impurity)

(4) 氟萊克缺陷 (Frenkel Defect)

晶格缺陷一度空間的線缺陷

(1) 刃狀差排 (Edge Dislocation)

(2) 螺旋狀差排 (Screw Dislocation)

二度空間的面缺陷晶粒晶界

雙晶晶界

傾斜晶界

(1) 疊差 (Stacking Fault)

(2) 晶界 (Boundary)


30

5-3-25-3-2 多晶矽太陽能電池的製程技術多晶矽太陽能電池的製程技術 150

矽材料的種類，可以分為冶金級的矽 (Metallurgical Grade Silicon, MGS) 以及電子級的矽 (Electronic Grade Silicon, EGS) 等兩種，冶金級的矽材料又稱之為矽金屬，其純度是 98.5%；而電子級的矽材料即是半導體級的矽材料，具有非常高的純度材料，其純度的要求是 99.9999999%；


31

151

碳二氧化矽

石墨棒電極

電力

粉塵

冷水熱水

研磨

冶金矽廢渣

澆鑄成形

精煉

液態矽

進料

排氣

過濾塔

圖 5-17 冶金級矽材料的製程流程 - 碳熱還原製程法的示意圖


32

152

碳熱還原製程 (Carbothermic Reduction Process)

主反應SiO2(s) 2C(s) Si(l) 2CO(g) CO2(g)

副反應Si(l) 1/2O2(g) SiO(g)SiO(g) 1/2O2 SiO2(s)


33

152

在內層高溫熱區：反應溫度在 1,900~2,100C

2SiO2(l) SiC(s) 3SiO(g) CO(g)SiO (g) SiC(s) 2Si(l) CO(g)

在外層低溫冷區：反應溫度小於 1900C

SiO(g) 2C SiC(s) CO(g)2SiO(g) Si(l) SiO2(s)


34

152

精煉製程 (Refining Process) 其主要的反應式如下：3(SiO2) 4Al 3Si(l) 2(Al2O3)SiO2 2Ca Si(l) 2(CaO)SiO2 2Mg Si(l) 2(MgO)Si(l) O2 (SiO2)


35

153

鑄型壓碎製程 (Casting Scratch Process)

入口( 三氯矽烷與氫氣 )

反應氣體入口

電極連接線

冷卻水

內套壁

外套蓋

冷卻水系統

多晶矽棒

冶金矽

乾氯化氫

( 三氯矽烷 )化學合成

三氯矽烷四氯矽烷

多晶矽蒸餾純化與分離

( 三氯矽烷 )

三氯矽烷二次純化處理

熱裂解處理

純三氯矽烷

超純三氯矽烷

氣體回收與純化

殘留物

四氯矽烷

低熔點不純物

三氯矽烷＋四氯矽烷

鹽酸

氫混合氣體

氫

圖 5-18 西門子製程法的製作流程示意圖


36

154

第一階段化學反應式Si(s)3HClSiHCl3H2Si(s) 4HCl SiCl4 2H2SiCl4 H2 SiHCl3 HCl3SiCl4 2H2Si 4SiHCl32SiHCl3 SiCl4 Si 2HCl

第二階段化學反應式2SiHCl3 SiH2Cl2 SiCl4SiH2Cl2 Si 2HClHSiCl3 H2 Si 3HClHSiCl3 HCl SiCl4 H2


37

一般矽烷的沸點為 12C ，而其各階段的化學反應式如下所述的：SiH4 Si2H23SiCl4 2H2 Si 4SiHCl32SiHCl3 SiH2Cl2 SiCl43SiH2Cl2 SiH4 2SiHCl3SiH4 2H2 Si

155


38

155

冶金矽化學合成

( 四氯矽烷 / 三氯矽烷 ) 合成處理

殘留物

低熔點不純物

蒸餾( 四氯矽烷 / 三氯矽烷 ) 分餾處理

熱裂解多晶矽氫

四氯矽烷

三氯矽烷

四氯矽烷

四氯矽烷

矽烷

氫

電能

二氯矽烷

觸媒催化塔

( 四氯矽烷 / 三氯矽烷 / 二氯矽烷 ) 分離處理

蒸餾純化處理 ( 矽烷 )

觸媒催化塔

( 四氯矽烷 / 三氯矽烷 / 二氯矽烷 ) 分離處理

圖 5-19

聯合碳化物製程法的製作流程示意圖


39

156

圖 5-20 乙西爾製程法的製作流程示意圖

排氣矽晶種

熱氫氣矽烷

矽晶粒

2 4

4 4 4 4

2H M Al AlMHSiF AlMH SiF AlMHM Na Li是或


40

一般四氟化矽 (SiF4) 的沸點為 12C ，而其各階段的化學反應式如下所述的：2H2 Na(Li) Al(Na, Li)H4SiF4 Al(Na, Li) H4 SiH4 AlMF4SiH4 2H2 Si

157


41

5-3-3 5-3-3 多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術 158

玻璃基板 (glass)

2SnO : (In,F)

ZnO : (Al,Ga)pinp

inp

i

nZnO : (Al,Ga)

Al,Ag Al,Ag

Si :H

a-SiGe :H

Si :H

a-SiGe :H

c-Si :HSi :H

a-SiC :Hc-Si :H

ITO

不銹鋼基板(Stainless Stell)

h

c-Si :H

h

製作流程順序

製作流程順序

(a) 基板型太陽能電池 (b) 表板型太陽能電池

光波光波

圖 5-21基板型太陽能電池 (a) 以及表板型太陽能電池 (b) 的基本結構示意圖


42

159

圖 5-22 基板型太陽能電池的製作流程

(1) 基板清洗 (2) 透明導電成形 (4) 化學氣相沉積

(5) 非晶矽蝕刻圖案化 (6) 金屬膜成形 (7) 金屬雷射蝕刻圖案化 (8) 銅箔導線

2SnO

YAG 雷射

YAG 雷射 YAG 雷射

(9) 封合 (10) 加外框 (11) 終端盒連接 (12) 檢驗

滾筒毛刷

基板

電漿

非晶矽薄膜

(3) 透明導電電極雷射分割圖案化


43

160

圖 5-23 就非晶矽、微晶矽或多晶矽、以及單晶矽等薄膜而言，其太陽能光譜的吸收特性以及其穿透係數

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5210

110

010

110

210

310

410

510

610

7101500 1000 500

610

510

410

310

210

110

010

110

210

310

結晶矽 (Crystalline silicon)

非晶矽 (Amorphous silicon)

微晶矽 (Micrystalline silicon)

Eg C

ryst

allin

e Si

Eg a

mor

phou

s Si

能量 (eV)


44

5-3-45-3-4 單晶矽及多晶矽太陽能電池的量測系統單晶矽及多晶矽太陽能電池的量測系統 162

現階段太陽能電池的量測設備系統種類：1.四點探針量測儀 (Four-Point Probe)2.非接觸式晶圓片電阻值量測儀 (Contact-Less Resistivity

Tester)3.非接觸式晶圓片厚度量測儀 (Contact-Less Thickness

Tester)4.非接觸式晶圓片彎曲度量測儀 (Contact-Less Warp or

Bowl Tester)5.微波壽命量測儀 (Microwave Lifetime Tester)6.輝光放電質譜分析量測儀 (Glow Discharge Mass

Spectroscope)7.三度空間高解析度顯微鏡 (3-D High Resolution

Microscope)

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