矽晶太陽電池之技術與應用矽晶太陽電池之技術與應用

班級：碩電機二班級：碩電機二甲甲 學號：學號： M9220107M9220107

姓名：楊仁傑姓名：楊仁傑

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前言 太陽電池（ solar cell ）在太空中及地球上的應用非常的廣泛，它提供了人造衛星長時期的動力供應，並且是地球上替代能源的一個重要選擇，因為它能以高轉換效率（ conversion efficiency ）將日光直接轉換成電能，能提供低運作成本而近乎永恆的動力，且幾乎沒有污染。

表一 我國歷年來能源供應的情形

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表二 太陽電池種類及應用範圍

半導體太陽電池中，依結構區分有許多的種類，例如： PN 接面太陽電池、金氧半 (MIS) 太陽電池、蕭特基界面 (Schottky –Barrier) 太陽電池、薄膜(Thin-Film) 太陽電池、非晶矽 (Amorphous) 太陽電池、異質 (Heterojunction)

太陽電池…… . 等，依材料區分為矽 ( 單晶矽、多晶矽、非晶矽 ) 、 III-V 化合物半導體 (GaAs 、 GaP 、 InP 等 ) ， II-VI 化合物半導體 (CdS 、 CdSe 、CdTe 等 ) ，及有機半導體，依製程型態則可分為塊狀 (Block) 及薄膜型。

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淺談 PN 接面太陽電池

Front contact stripe and fingers

AntirereflctionCoating

P-N Junction

Back contact

hν

N-epi

P-Sub

(Top View)

Front contact stripe and fingers

太陽電池以 PN 接面太陽電池為最具代表性。 PN

接面太陽電池為兩端的固態電子元件如右圖所示，其工作原理當太陽光照射到太陽能電池，使得 PN 接面附近的價電帶電子游離，產生大量的電子 - 電洞對後，被歐姆接觸收集，產生電壓或電流。

太陽電池之基本結構

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淺談 PN 接面太陽電池

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太陽電池發電原理示意圖

淺談 PN 接面太陽電池

PN 接面太陽電池工作示意圖

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淺談 PN 太陽電池

Rs = 0Ω

Rs =10Ω

30

20

10

0.2 0.4 0.6

Rs

IL

I(mA)

V(v)

在設計太陽電池中有兩種降低效率的主要因數：

1. 晶片上表面的串聯電阻：主要是受接面深度、摻雜濃度、前置電極的佈置所影響。

2. PN 接面空乏區的複合電流：由於受Voc 、 F.F. 的減少使得複合電流之效率遠低於理想電流之效率，而在300°K 時，複合電流會使效率降低25% 。

具串聯電阻之太陽電池之 I-V 圖

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金屬絕緣半導體（ MIS ）太陽電池MIS 太陽電池

1. MIS 太陽電池大約是在 1990 年初期開使商業化的，由於此種的太陽電池無須使用高溫製程（諸如接面擴散、熱氧化層生長等），因此頗受業界重視。

2. 此種太陽電池主要採用了磷聚苯（ phosphonus gettering ）、隧穿氧化層正面電極鈍化、及 PECVD 氮化矽正面鈍化等結構，其效率高達 16.5 ％。

金屬絕緣半導體（ MIS ）太陽電池之結構圖

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射極鈍化背面局部擴散（ PERL ）太陽電池結構圖

高效率實驗型太陽電池

點接觸（ point-contact ）太陽電池結構圖

高效率實驗型太陽電池採用最佳材料及技術，以降低能量轉換效率上的損失，達到最高的效率值。通常這類太陽電池面積都很小（約 1~4cm2 ）。射極鈍化背面局部擴散（ PERL）太陽電池及點接觸（ point-contact）太陽電池是其中效率較高兩種。

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1. PERL 電池在結構上採取了倒金字塔正面形狀、精確控制射極雜質擴散分佈、正反面使用高品質氧化矽薄膜以降低載子的表面復合速率、正面接觸柵使用小的的接觸區及較深的擴散、背面採用局部 p+ 擴散等以降低接觸電阻。

2. 採用 CZ 矽晶片的 PERL 電池，其最高效率可達 21.7 ％，若採用 FZ 矽晶片，則 P

ERL 電池目前最高的效率可達 24 ％，

射極鈍化背面局部擴散（ PERL ）太陽電池結構圖

高效率實驗型太陽電池（一）射極鈍化背面局部擴散（ PERL ）太陽電池

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高效率實驗型太陽電池（二）點接觸（ point-contact ）太陽電池

點接觸（ point-contact ）太陽電池結構圖

1. Point-contact 電池是由交錯式背面接 點 （ interdigitated back-contact）電池改良而來，此種電池具有交錯式背面金屬而無須覆蓋正面金屬，可降低電池的串聯電組，其厚度遠較於 PERL電池薄，因而背面的載子收集效率相當好，電池正面經過粗糙化及鈍化處理。

2. 若採用具高載子活期、極高電阻率之矽基板，則可進一步降低載子的體塊復合率（ bulk recombination ）。

3. Point-contact電池的效率可高達 23％，而在 100 倍的聚焦陽光照射下，則效率更可高達 28％

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商業化太陽電池 對於商業化太陽電池而言，除了效率要高之外，如何降低成本則是最主要的考量。一般而言，降低成本可從製程技術及材料的適當選擇兩方面著手。因此商業化太陽電池主要是採用大尺寸（面積約為 100cm2 ）之 CZ柴氏單晶或多晶矽晶片，並大量生產達到大幅降低成本的目的。電池的結構製造及模組組裝，則佔整體成本的百分之二十五至三十。

一般而言，商業化太陽電池的效率介於 13~16 ％之間，由於電池效率的高低影響電池的生產成本，未來商業化矽晶太陽電池的效率目標為單晶電池介於 1

8~20 ％，而多晶電池介於 16~18% 。根據實驗型矽晶太陽電池的效果，商業化矽晶太陽電池就必須具備下列特點（要考量是否以低成本方式達成）：

1. 正面粗糙化 2. 射極表面濃度及雜質分佈之最佳化 3. 有效的正面鈍化 4. 正面電極鈍化 5. 薄的基極層（厚度小於少數載子之擴散長度） 6.背面場（ Back-Surface Field, BSF ）結構 7.背面反射層 8.背面粗糙化 9. 正面抗反射層之最佳化

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商業化太陽電池（一）網版印刷太陽電池

網版印刷（ screen printing ）太陽電池

1. 網版印刷是一種成熟、簡單、大量、連續式、而且容易調整的製程。由於網版印刷太陽電池只是具備前述結構特點中的正面粗糙化及鋁融合背面場，因此，其效率一般只有 13~15 ％之間。

2. 現有一些日本及歐洲廠商致力與改善網版印刷製程，諸如用用新的銀膠配方，新的微細網版及發展新型的網版印刷機等等。 其中有效率高達 17 ％的研發成果出來。

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商業化太陽電池（二）埋入式接點太陽電池

1. 埋入式接點太陽電池是由美國新南威爾斯大學所發展出來的，其實驗室效率最高紀錄為 21.3 ％。

2. 已商業化的埋入式接點太陽電池如圖右所示，此種電池包含了高效率太陽電池應有的大部分結構，諸如淺射極擴散、良好正面鈍化、極微細的電極、正面電極的鈍化、以及背面場等，因此，商業化的效率值已接近 17 ％。

埋入式接點太陽電池（ Buried-Contact Solar Cell, BCSC ）之結構圖

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薄膜矽晶太陽電池

薄膜矽晶太陽電池之結構圖

薄膜矽晶太陽電池

1. 目前產業界在矽晶太陽電池方面，已開始往厚度只有 20~50微米的薄膜矽晶太陽電池發展，所需的高純度矽晶材料遠較傳統式太陽電池少很多，且使用的基片則是一些便宜的材料如玻璃等。

2. 此種太陽電池若將光捕捉（ light-trapping ）機制整合起來，其效率值可能高過傳統式厚度的太陽電池，面積為 675cm2 的薄膜矽晶太陽電池，其效率值已可達 11.6 ％。

我國太陽電池產業結構

我國太陽電池產業仍在起步階段，產業規模尚小，目前處理後的 wafer仍須仰賴國外進口，但在 cell與模組部分目前已有四家廠商，光華生產 indoor use 非晶矽太陽電池 cell／ module ， 2001年第三季開始生產發電用產品，茂迪 2000年 11 月開始生產多晶矽太陽電池 cell ，士林電機則與工研院材料所合作生產單晶矽太陽電池 cell/ module ，模組廠商正懋光電 2001年開始生產出貨單、多晶矽太陽電池 module ，目前除茂迪之外，其他廠商也都提供太陽光發電系統的設計施工服務。在政府補助計畫的支持下，我國下游太陽光發電系統廠商也逐漸增加中，業務型態多以進口國外專用 wafer 、 cell再組裝的方式，做整體規劃、安裝施工、維護。其他太陽電池廠商則進口國外 cell ，自行加工封裝設計成太陽光照明設備，及太陽光道路警示標示等應用產品。

產業現況

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產業現況世界太陽電池市場規模

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產業現況

世界太陽電池模組生產規模

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茂迪公司係一家傳統的機電廠商，近年來積極跨入光電領域，該公司園區分公司甫於去年獲准進入科學園區，資本額為 2.7 億元新台幣，主要產品為單 /多晶矽太陽能電池元件 / 模板，將提供客戶應用在戶外大功率發電之上，預計於 1999 年第三季便可進入量產。茂迪生產太陽電池所需的上游晶矽材料，將直接從國外進口，由茂迪在國內自行長晶，及進行模組組裝，而後出售給下游系統廠商。茂迪表示，將考慮在 4. 5 年後，直接切入下游的系統市場。由於該公司在海外擁有一批技術人才，該公司太陽電池產品的相關研發，已經準備妥善。初期，茂迪將鎖定國外市場做為業務重點，爾後在適當時機才考慮積極進入國內市場。隨著環保意識的抬頭，全球對於太陽能發電等潔淨能源的需求比重，勢將持續增加，未來市場潛力不容忽視。茂迪相信我國政府終將會更積極地，以政策補助的方式，推廣國內太陽發電事業，屆時就是茂迪考慮大舉進入國內市場的最佳時機。

茂迪投入太陽電池產業

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產業現況

產業現況

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產業現況

規格 :尺寸： 156㎜ ×156㎜ ±0.5㎜ 厚度： 260μm±35μm 外觀 ：正面藍色氮化矽抗反射膜 背面：鋁材質背電場電極， 4.5㎜寬之銀鋁材質焊接線

6” 多晶太陽能電池

規格 :尺寸： 125㎜ ×125㎜ ±0.5㎜ 對角線： 135mm±1.0mm 厚度： 310μm±40μm or 260μm±35μm 外觀 ：正面藍色氮化矽抗反射膜 背面：鋁材質背電場電極 4.5㎜寬之銀鋁材質焊接線

4” 單晶太陽能電池

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產業現況

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