陽光晶片體驗營太陽能晶片應用之旅太陽能晶片應用之旅

半導體科技體驗營-課程時間時程 內容 負責人員

08:30~09:00 報到09:00~09:50 實驗室參訪(含前測)09:50~10:00 休息時間09:50 10:00 休息時間10:00~10:50 太陽能電池歷史(原來太陽能電池已經這麼久遠!)10:50~11:00 休息時間

太陽能電池原理 太陽能電池原理有一套11:00~11:50 太陽能電池原理(太陽能電池原理有一套)12:00~13:00 休息時間13:00~13:50 太陽能電池製程簡介(太陽能電池製程過程好驚喜)( )13:50~14:00 休息時間14:00~14:50 實作-太陽能電池模組展示及應用14 50 15 00 休息時間14:50~15:00 休息時間15:00~15:50 實作-太陽能電池量測實驗15:50~16:00 休息時間16:00~16:50 實作-太陽能電池量測實驗

陽光晶片體驗營陽光晶片體驗營 太陽能電池歷史

為何發展太陽能電池？ 環保議題為何發展太陽能電池？ 環保議題

為因應全球暖化問題，京都議定書已於2005年2月正式生效，明確表示簽約國必須抑制其二氧化碳的排放量，以防止全球暖化及臭氧層破壞的發簽約國必須抑制其二氧化碳的排放量 以防止全球暖化及臭氧層破壞的發生。由於目前大部分的發電系統所使用的石化燃料，皆具有高污染的特性，在京都議定書生效後，歐盟及日本等各國政府皆紛紛實施限制碳排放量之政策，此舉將導致傳統化石燃料發電技術成本逐漸升高。

此外，根據IEA國際能源署之資料統計結果，石化燃料之全球蘊藏量均不超過百年（除了二氧化碳排放均不超過百年（除了二氧化碳排放量最高的煤之外），傳統發電之燃料成本勢必因而增加。

在環保議題與資源耗竭問題的推動在環保議題與資源耗竭問題的推動下，加強發展「再生能源」及「綠色能源」已成為全球共同追求之趨勢。其中由各國政府積極推動的太陽能發其中由各國政府積極推動的太陽能發展計畫，使得太陽能光電（Photovoltaic,  PV）產業備受市場關注。

為何發展太陽能電池？太陽能是潔淨可再生能源為何發展太陽能電池？太陽能是潔淨可再生能源

無燃料成本無燃料運輸成本無燃料運輸成本無汙染，不產生溫室氣體，無噪音無轉動機件，可靠性高模組化，規模可大可小模組化 規模可大可小分散性，安全性高，大斷電風險性低適合台灣亞熱帶白天的峰載電力

太陽能電池的歷史原來太陽能電池歷史已經這

計算機麼久遠!

1、1839年法國實驗物理學家A.E. Becquerel發現光照射到材料產生電力的「光生伏特效應」行為。

2、1954年美國貝爾實驗室製造出第一個的單晶矽太陽能電池，效率約為6 %。

3、1958年美國發射第一個太陽能電池供電的衛星先鋒一號發射，其單晶矽太陽能電池效率已達9 %。

4、1976年第一個非晶矽太陽能電池問世，大量應用於計算機、手錶和各種家用電子產品作為電源。

太陽能電池的歷史原來太陽能電池歷史已經這麼久遠!麼久遠

5、1981年名為Solar Challenger的光電動力飛機飛行成功。

6、1985年澳洲新南威爾士大學Martin Green研發出效率20 %的單晶矽太陽能電池。

7、1991年瑞士開發出效率7 %的奈米二氧化鈦染料敏化太陽能電池。

8、1992年，歐、美、日各國推動太陽光發電系統補助政策。

太陽能電池的歷史原來太陽能電池歷史已經這麼久遠!麼久遠

9、2000年世界太陽能電池年產量超過287.7MW(M:Mega，106)，安裝超過1000MW 顯示太陽能時代的超過1000MW，顯示太陽能時代的到來。

10、2005年2月「京都議定書」正式10、2005年2月 京都議定書」正式生效，催化太陽能光電(Photovoltaic，PV)產業迅速發展。展

太陽能電池的歷史原來太陽能電池歷史已經這麼久遠!麼久遠

11 2007年太陽能產量已達3 9GW (G Gi 109)11、2007年太陽能產量已達3.9GWp(G:Giga ,109)。

12、2009年國家奈米元件實驗室開始發展太陽能電池的相關技術電池的相關技術。

NDL薄膜太陽能電池研發成果

太陽能電池種類 依原料技術區分太陽能電池種類

太陽能電池種類 單晶矽太陽能電池把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中 再把晶種插入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上拉引做成矽晶柱，然後再把晶柱加以切割，就可以得到然後再把晶柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。一般來說，單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，使用年限也比較長，比較適合於發電廠或交限也比較長，比較適合於發電廠或交通照明號誌等場所的使用。

太陽能電池種類 多晶矽太陽能電池多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成。多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在切割和再加工的手續上，比單晶和非晶矽更困難，效率方晶和非晶矽更困難 效率方面也比單晶矽太陽能電池的低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色廉的成本是它的最重要特色。所以，在部分低功率的電力應用系統上，便採用這類型的太陽能電池型的太陽能電池。

太陽能電池種類 非晶矽太陽能電池非晶矽則是指整個材料中，只在幾個原子或分子的範圍內，原子的排列具有周期性，甚至在有些材料中，根本沒有周期性的原子排列結構。它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，用不於材料的晶體結構不同 因此 用不同的材料設計出太陽能電池時，它們的光電特性也會有所不同。對於非晶矽的太陽能電池來說，由於價格最便矽的太陽能電池來說，由於價格最便宜，生產速度也最快，所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上 而且新的應用也在不斷地研產品上，而且新的應用也在不斷地研發中。

太陽能電池種類 CIS/CIGS太陽能電池在 薄 膜 太 陽 能 電 池 中 ， 以在 薄 膜 太 陽 能 電 池 中 以CIS(Copper Indium Diselenide)或是 CIGS(Copper Indium GalliumDiselenide)都屬於化合物半導體。Diselenide)都屬於化合物半導體這兩種材料的吸光(光譜)範圍很廣，而且穩定性也相當好。轉換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已經可達30%，標準環境測試下最高也已經可達到19.5%，足以媲美單晶矽太陽電池的最佳轉足以媲美單晶矽太陽電池的最佳轉換效率。在大面積製程上，採用軟性塑膠基板的最佳轉換效率也已經達到14.1%。由於穩定性和轉換效率都已經相當優異，因此被視為是未來最有發展潛力的薄膜太陽能電池種類之一。

太陽能電池種類 三五族太陽能電池IIIV族化合物半導體太陽能電池為族化合物半導體太陽能電池為一直接能隙半導體材料, 太陽光電轉換效率高。 IIIV族化合物半導體太陽能電池利用不同元素以磊晶技太陽能電池利用不同元素以磊晶技術堆疊, 增加光譜吸收範圍。多接面(Multi-junction)IIIV族化合物半導體太陽能電池的光譜接收範圍涵蓋體太陽能電池的光譜接收範圍涵蓋紫外線到紅外線全光譜。IIIV族化合物半導體太陽能電池早期被廣泛使用於太空與衛星航太工業 屬高使用於太空與衛星航太工業, 屬高敏感機密科技。在70年代末期與80年代美蘇冷戰時期航太工業激烈競爭, IIIV族化合物半導體太陽能電池效率提昇迅速, 超越矽晶太陽能電池。

太陽能電池種類 有機太陽能電池在再生能源的競賽中，有機太在再生能源的競賽中，有機太陽能電池已成為加速開發的對象。取得容易、成本低、對環境的影響小 與彈性基底（膠境的影響小、與彈性基底（膠片、紡織品）相容：這些優點讓有機太陽能電池未來的運用十分廣泛 包括包裝 服裝十分廣泛，包括包裝、服裝，彈性螢幕、手機或手提電腦的充電電池等。 有機電池造價與所需能源相對低，且對環境的影響小。此外，透過溶劑（墨或油漆）處理過程，其可（ ）塑性高，覆蓋面積大。

太陽能電池 光能轉電能

太陽能熱水器比較太陽能熱水器比較光能轉熱能

太陽能電池無法儲存電能

實際上，太陽能電池電能是無法儲存的，而一般電池是以電能轉成化學能的方式來儲存。

直流電與交流電直流電與交流電

直流電• 方向不隨時間變化的電流稱為直流電（direct current，簡記為DC）。直流電（direct current，簡記為DC）。

直流電與交流電

交流電源：

輸出的電流方向隨著時間作週期性的變化。輸出的電流方向隨著時間作週期性的變化

太陽光電發電系統種類 獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統

1、定義：使用蓄電池且換流器無逆送電功能之太陽光電發電系統。1 定義 使用蓄電池且換流器無逆送電功能之太陽光電發電系統

2、適用地點：高山、離島、基地台…等市電無法到達處。

3、工作方式：白天PV發電供負載並充電、夜間由電池供電。3、工作方式：白天PV發電供負載並充電、夜間由電池供電。

太陽光電發電系統種類市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統

1、定義：換流器具有逆送電功能，可操作於併聯模式太陽光電發電系統。1 定義 換流器具有逆送電功能 可操作於併聯模式太陽光電發電系統

2、適用地點：電力正常送達之任何地點

3、工作方式：白天 PV系統併聯發電、夜間由台電供電。3、工作方式：白天 PV系統併聯發電、夜間由台電供電。

太陽光電發電量計算法

以日射量來計算

年發電量（年發電量（EPEP）＝）＝PAS * HA * K * 365(PAS * HA * K * 365(天天))年發電量（年發電量（EPEP）＝）＝PAS * HA * K * 365(PAS * HA * K * 365(天天))

PAS：太陽電池組列容量HA：設置場所及設置條件的累計日射量（kWh/m2 *日）K：總和設計係數（0.65～0.8≒0.7程度）

以系統利用率來計算

年發電量＝太陽電池陣列模板的發電量年發電量＝太陽電池陣列模板的發電量**系統利用率系統利用率 * * 87608760小時小時

系統利用率＝0 1～0 15≒0 12程度系統利用率 0.1～0.15≒0.12程度一年總時數＝24（小時）* 365（天）＝8760小時

太陽光電發電量Morning Afternoon Night

充電 充電 照明

再充電再充電

白天 (充電) : 太陽能模組 + 蓄電池晚上 (照明) : 蓄電池 + LED照明

Q: 若是太陽能模組的大小為50m2且效率為15% ，可以產生多少的電力？( )

太陽能模組需要多久才能把蓄電池充飽?PV電流 = 10W/12V=0.833A蓄電池容量 / PV電流 7Ah / 0 833A 8 4小時

% 可以產生多少的電力？

A: 利用AM1.5 (844 W/m2)，844*50*0.15=6.33 kW

蓄電池容量 / PV電流 = 7Ah / 0.833A = 8.4小時

LED燈可以照明多久 (飽和的蓄電池)?蓄電池容量 / LED電流 = 7Ah / 250mA = 28小時

844 50 0.15 6.33 kW若是一天照光6小時→ 38 kW*hr足夠可以使 88個 LED[3W] 發光12小時，或者 9 5個 42吋 LCD面板[250W]使用16小時。蓄電池容量 / LED電流 7Ah / 250mA 28小時 或者 9.5個 42吋 LCD面板[250W] 使用16小時

太陽能電池市場分析

太陽能產業價值鏈與特性

台灣投入矽薄膜太陽電池廠商

綠能科技 目標:成為全球前五大專業多晶矽晶圓廠多晶矽、單晶矽太陽能晶片矽晶片產品、薄膜太陽能產品、矽晶片代工矽晶片產品、薄膜太陽能產品、矽晶片代工

大豐能源 非晶矽太陽能廠商供太陽能發電系統薄膜型太陽能板、太陽能發電系統、太陽能應用系統薄膜型太陽能板 太陽能發電系統 太陽能應用系統

聯相光電 矽薄膜太陽能電池a-Si Module、µc-Si Module、BIPV Module

富陽光電 矽薄膜太陽能電池

鑫笙能源 初期以太陽能電池之原物料及成品貿易為主鑫笙能源 初期以太陽能電池之原物料及成品貿易為主a-Si薄膜式太陽能電池模組產品

旭能光電 利用玻璃基材矽薄膜的鍍膜技術來生產旭能光電 銷售薄膜太陽能電池及模組

威奈聯合 投入CIGS研究與開發，並投入上游原料CIGS濺鍍靶材的研發威奈聯合

綠能科技綠能科技

矽晶片產品矽晶片產品

薄膜太陽能產品

矽晶片代工

大豐能源

聯相光電

鑫笙能源

威奈聯合

台灣太陽能產業的現況台灣太陽能產業的現況

台灣太陽能產值

年度 2003 2004 2005 2006 2007

太陽能電池產值(億台幣) 11 26 55 148 390

太陽能電池全球市占率 2.9% 6.4% 7.1% 15%

太陽能產業總產值(億台幣) 12 33 70 212 535( )

來源 : 經濟部,工研院,光電科技工業協進會,茂迪整理

太陽能電池應用實例矽晶太陽能電池模組

太陽能溫室

矽晶太陽能電池模組

太陽能電池應用實例矽晶太陽能電池模組

太陽能發電廠 太陽能街燈

矽晶太陽能電池模組

太陽能電池應用實例薄膜式太陽能電池模組薄膜式太陽能電池模組

http://www.pv.kaneka.co.jp/installation/index.html

太陽能電池應用實例可繞式太陽能電池模組可繞式太陽能電池模組

太陽能電池應用實例有機太陽能電池發電系統

陽光晶片體驗營 太陽能電池的原理

太陽能電池簡介太陽能電池原理太陽能電池簡介

太陽能電池材料

池原有一套

光伏特 (Photovoltaic) 效應

太陽能電池簡介太陽能電池簡介

太陽電池是運用光伏效應所研製出的一種光能轉電能的能量轉換元件 經太陽電池是運用光伏效應所研製出的一種光能轉電能的能量轉換元件，經由太陽光照射元件內部特殊的半導體材料後，可把光的能量轉換成電能，瞬間就可產生可直接使用的電壓及電流，故稱此元件為太陽電池。

太陽電池所採用的光伏原理和我們一般在金屬材料中所觀察到的光電效應(photoelectric effect) 實際上是不同的，故太陽電池又稱光伏電池(p )(Photovoltaic cell，簡稱PV cell)，其中的photo 即表示光(light)的意思，而voltaic 是光能轉換為電能所產生的伏特電位，亦即電力(electricity)之意。意

太陽電池的發電方式屬於綠色發電方式，發電過程中不會產生溫室氣體，如二氧化碳等對環境有害的氣體，故在發電過程中不會對環境造成污染。如二氧化碳等對環境有害的氣體，故在發電過程中不會對環境造成污染。

溫室氣體及懸浮微粒溫室氣體及懸浮微粒

太陽短波輻射和地球長波輻射太陽短波輻射和地球長波輻射(圖片來源：AHRENS, P. 34, FIG. 2.8)

The Energy Resource Forecast

•目前地球平均溫度比20年前高了0.2℃以上•石油儲藏量剩下1兆338億桶(Barrel)，可使用43年( )•天然氣儲藏量剩下146兆立方公尺，可使用62年•煤儲藏量剩下9,842億噸，可使用230年•鈾儲藏量剩下395萬噸，可使用64年鈾儲藏量剩下395萬噸 可使用64年但是不必等到石油耗盡，能源的價格將會飆漲到大家都無法承受！台灣所使用能源，98%仰賴進口！全世界至少20億人口，目前仍無電可用！

中小學學生的科學探索計畫

太陽能電池簡介

陽光體驗營

太陽能電池簡介

太陽能電池材料

光伏特 (Photovoltaic) 效應

太陽能電池的材料

太陽能電池的材料有：

晶體矽 (Crystalline Si)晶體矽 (Crystalline-Si)

非晶矽 (amorphous-Si)

三五族元素三五族元素

GaAs / AlGaAs

GaAs / InGaAsP

InP

二六族元素

CuInSe2 (CIS)

CuInGaSe2 (CIGS)

CdTe

太陽能電池的材料

太陽能電池的材料有：

晶體矽 (Crystalline Si)晶體矽 (Crystalline-Si)

非晶矽 (amorphous-Si)

三五族元素三五族元素

GaAs / AlGaAs

GaAs / InGaAsP

InP

二六族元素

CuInSe2 (CIS)

CuInGaSe2 (CIGS)

CdTe

絕緣體、半導體、導體

太陽能電池工作原理

由光能於半導體物質內產生電子及電洞對由光能於半導體物質內產生電子及電洞對

由內建電場驅動電子及電洞形成電流

太陽光能於半導體物質內產生電子及電洞對

擴散效應擴散效應

墨水擴散墨水擴散

由濃度高的地方往濃由濃度高的地方往濃度低的地方移動

由電子及電洞擴散形成p-n接面

電場電場

e‐ e‐ e+ e+

p型半導體 n型半導體e‐

e‐e‐

e‐

e‐e‐

e+ e+

e+ e+e+ e+

【空乏區】

p-n接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組成，由正 負離子的存在 在此區域內形成一個內建電位(b ilt i t ti l)由正、負離子的存在，在此區域內形成一個內建電位(built-in potential)。

由內建電場驅動電子及電洞形成電流由內建電場驅動電子及電洞形成電流

一般固態半導體型太陽能電池的工作原理【光伏特效應】【光伏特效應】

資料來源：http://www.phys.nthu.edu.tw/~gen_sci/solar/detail.pdf

一般固態半導體型太陽能電池的基本結構

資料來源：http://www.phys.nthu.edu.tw/~gen_sci/solar/detail.pdf

太陽能電太陽能電池製程過程好驚喜

陽光晶片體驗營 太陽能電池結合奈米製程簡介

OUTLINE

P-N 二極體 (奈米級吸收層)二極體 (奈米級吸收層)

抗反射與粗糙化(奈米級結構)

導電電極(奈米級金屬粒子)導電電極(奈米級金屬粒子)

一般固態半導體型太陽能電池的基本結構

資料來源：http://www.phys.nthu.edu.tw/~gen_sci/solar/detail.pdf

OUTLINE

奈米材料於光伏特吸收層之應用奈米材料於光伏特吸收層之應用

奈米結構於抗反射技術之應用

奈米金屬粒子於導電電極之應用奈米金屬粒子於導電電極之應用

P-N 二極體吸收層

n型半導體(摻磷原子)+ + + + + + + + +

電場方向【空乏區】e‐ e‐ e‐ e‐ e‐ e‐ e‐ e‐ e‐

e+ e+ e+ e+ e+ e+ e+ e+ e+

p型半導體(摻硼原子)

以掺雜少量硼(B)原子的p型矽基半導體當做基板(Si substrate)，以掺雜少量硼( )原子的p型矽基半導體當做基板( )以高溫熱擴散法將參雜濃度略高於硼原子濃度的磷原子掺入p型的矽基板內，形成p-n接面。

奈米吸收層

p‐i‐n 奈米吸收層厚度約300~500nm厚度約300 500nm

由於薄膜太陽能電池對陽光的吸收很強對陽光的吸收很強，所以只需要幾百奈米的薄膜即可吸收太部分的陽光。

太陽頻譜與太陽能電池吸收波段

太陽短波輻射 量子效率：太陽短波輻射：陽光波長落在300~1100nm

量子效率：太陽能電池對不同陽光波長吸收的程度

量子點於太陽能電池之應用

一般太陽能電池只能吸收特定波段的陽光，因此無法完全利用陽光，所以有人提出在太陽能電池中加入直徑只有數奈米的量子點。

根據我們對量子點的研究，越小的量子點可根據我們對量子點的研究 越小的量子點可以吸收波長較短的光，而越大的量子點則吸收波長較長的太陽光。

所以將奈米等級的量子點應用在太陽能電池裡，可以加強一般電池無法利用的波段。

資料來源： http://only‐perception.blogspot.com/2008/03/blog‐post_08.html

OUTLINE

奈米材料於光伏特吸收層之應用奈米材料於光伏特吸收層之應用

奈米結構於抗反射技術之應用

奈米金屬粒子於導電電極之應用奈米金屬粒子於導電電極之應用

破壞性干涉

振幅

時間

入射波反射波【相位相差90度會進行破壞性干涉】合成波

奈米級抗反射層當各層的折射係數滿足當各層的折射係數滿足

會形成破壞性干涉，使光全部穿透減少反射的能量損耗。一般來說，使用折射率n=2的材料，當入射光為550nm的綠光時，根據公式我們所需的抗反射層厚度大約70nm。這就是奈米結構應用在太陽能電池上的例子。

奈米級抗反射層

抗反射層可以有效減少入射光的反射入射光的反射

奈米級抗反射層

不同厚度的抗反射層，在陽光的照射下會呈現不同的色彩，因此太陽能電池可製作出繽紛的顏色，可應用在建築藝術上。

光的折射與反射

入射光反射光

入射光

折射光折射光

粗糙化

非等向性蝕刻：利用化學溶液對不同晶相有非等向性蝕刻：利用化學溶液對不同晶相有不同蝕刻速率的特性，蝕刻出粗糙的表面。

粗糙化的目的：增加光第二次折射的機會，以及增加光的行進路徑以及增加光的行進路徑

粗糙化不同結晶性質的晶體(晶相)，會因為鍵結強度的不同而有不同的蝕刻速率

單晶矽的粗糙化(金字塔形) 多晶矽的粗糙化(無特定形狀)因單晶矽的晶相固定 因多晶矽為多個單晶所組成 有

各個晶相

粗糙化粗糙化

acid texturing10

g10 um

奈米等級的粗糙化-BLACK SILICON

黑矽(black silicon)是一種半導體材料，材料表面佈滿奈米尺度的針形黑矽(black silicon)是一種半導體材料，材料表面佈滿奈米尺度的針形結構，每根針的直徑都在數百奈米左右，主要特色是增加吸收入射光。

資料來源： http://en.wikipedia.org/wiki/Black_silicon

各等級粗糙化之比較

acid texturing

無粗糙化 微米等級粗糙化 奈米等級粗糙化無粗糙化 微米等級粗糙化 奈米等級粗糙化(光幾乎被吸收，所以外觀呈現黑色)

OUTLINE

奈米材料於光伏特吸收層之應用奈米材料於光伏特吸收層之應用

奈米結構於抗反射技術之應用

奈米金屬粒子於導電電極之應用奈米金屬粒子於導電電極之應用

金屬化製程

藉由金屬電極蒐集由pn接面產生的電子電洞對，並且有利後段模組製

金屬化製程

藉由金屬電極蒐集由pn接面產生的電子電洞對 並且有利後段模組製程，以製造大面積的太陽能電池

背面電極背面電極

金屬化製程

Glass/TCO substrate (Asahi-U)

金屬化製程

Glass/TCO substrate (Asahi U)

Deposit p‐i‐n silicon layer(HDP)

Deposit ITO layer (sputter)

D it b k id t tDeposit back‐side contact Aluminum (E‐gun)

Etch p‐i‐n silicon by RIE(HDP)-h+h+n‐layeri‐layer

ITO

Al

l Etch p i n silicon by RIE(HDP)

Deposit front‐side contact Aluminum (E‐gun )

e-h+h+

TCO

yp‐layer Al

glass ( g )

Thin film solar cell completed!! 

80/29

Sun light

金屬化製程-銀導線網印

Picture from ECN 2007 report

奈米級金屬粒子-奈米銀膠

導電銀膠內的銀粒子平均粒徑為40nm，一來增加導電性，另一方面因奈米粒子表面積增加 加快網印因奈米粒子表面積增加，加快網印時銀膠在大陽能電池上成形的速度。

Picture from http://www.nanoshop.ir/index.php?app=view_catalog&id=72&set_lang=2