Transcript 第四章 非晶矽太陽能電池 4-1 非晶矽太陽能電池的發展及其演進 4-2 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性 4-3 非晶矽太陽能電池的製程技術

第四章 非晶矽太陽能電池
4-1 非晶矽太陽能電池的發展及其演進
 4-2 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性
 4-3 非晶矽太陽能電池的製程技術

內容大綱

本章節將討論以及探討的內容，主要有三
大部分：
非晶矽太陽能電池的發展及其演進
 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性
 非晶矽太陽能電池的製程技術

2
第四章
非晶矽太陽能電池
P 88
i 型 -SiGe
n 型 -SiGe
背面反射層
4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構
Ag/ Al 電極

(a) 兩層式
抗反射薄膜層
玻璃基板
透明導電薄膜層
p 型 -Si
i 型 -Si
n 型 -Si
p 型 -SiGe
i 型 -SiGe

抗反射薄膜層
玻璃基板
 -Si : H
 -SiGe :H
n 型 -SiGe
背面反射層

透明導電薄膜層
p 型 -Si
i 型 -Si
n 型 -Si
p 型 -SiGe
i 型 -SiGe
n 型 -SiGe
p 型 -Si
 -Si :H
 -SiGe :H
 -Si :H
i 型 -Si
n 型 -Si
背面反射層
Ag/ Al 電極
Ag/ Al 電極

(a) 兩層式

(b) 三層式
抗反射薄膜層
玻璃基板
圖4-1 透明導電薄膜層
兩層式或三層式非晶矽太陽能電池元件的基本結構示意圖
 -Si :H
3

p 型 -Si
i 型 -Si
n 型 -Si
p 型 -SiGe
 -SiGe :H
第四章
非晶矽太陽能電池
P 90
4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構

史坦伯 - 勞斯基效應 (Staebler-Wronski
Effect, SWE)，又稱之為光輻射性能衰退
效應 (Photonic Radiation Degradation)：

4
太陽光照射之後的短時間之內，其光電轉換
的性能將會大幅地衰退，而其衰退的程度約
為10.0%30.0%，如圖4-2所示
第四章
非晶矽太陽能電池
P 91
4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構
圖4-2
5
史坦伯 - 勞斯基效應以及懸吊鍵的示意圖
第四章
非晶矽太陽能電池
P 91
4-2-2非晶矽太陽能電池特性
p
p
n
i
厚度 (t)
厚度 (t)
電子擴散電流 (Jndf )
漂移電流 (Jdr )
電子漂移電流 (Jdr )
圖4-3 在p-n
接面型以及
p-i-n接面型
元件中光電
流產生的機
制示意圖
n
光
光
p
電洞漂移電流 (Jpdf )
6
第四章
非晶矽太陽能電池
P 93
4-2-2非晶矽太陽能電池特性
單晶矽
圖4-4
7
非晶矽
多晶矽
單晶矽的、非晶矽的、以及多晶矽的結晶結構示意圖
第四章
非晶矽太陽能電池
P 94
4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

通常，適用於太陽能電池之透明導電薄膜
電極的特性要求有：
1.高的光透過率
 2.低的表面電阻值
 3.好的歐姆接觸電極
 4.組織化表面結構
 5.安定的化學特性

8
第四章
非晶矽太陽能電池
P 96
4-2-3透明導電薄膜材料及其特性
9

透明導電薄膜成形的材料，有摻雜
3.0~10.0 wt% 氧化錫的氧化銦 (In2O3)，
以及銦錫合金等兩種。

銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide，In2O3SnO2, ITO) 是一種n型的半導體材料。
第四章
非晶矽太陽能電池
P 96
4-2-3透明導電薄膜材料及其特性
透明導電氧化物具有高的透明性以及高的
導電性，其主要的物理機制將分述如下，
其基本機制的示意圖，如圖4-5(a) 以及45(b) 所示
 在高的導電性方面，其基本的機制是氧空
孔缺陷 (Oxygen Vacancy Defect) 以及置入
型原子缺陷 (Interstitial Defect) 等所導致的；
如圖4-5(b) 所示

10
第四章
非晶矽太陽能電池
P 97
4-2-3透明導電薄膜材料及其特性
可
射
入
光
見
射可
入
反射可見光
光
見
e  e e e e
e e e e
e e
e
e
e
e
透過可見光
(1) 金屬
(2) 透明導電 ITO 電極
(a) 透明性的物理機制
O
O 2
O 2
In3
圖4-5 高的透明性 (a) 以及
高的導電性 (b) 透明導電氧
化物的基本物理機制示意圖
O 2
O
In3
O 2
O 2
2
O 2
O 2
In3
In3
In3
In3
O
O 2
In3
O 2
In3
In3
2
O 2
O
2
2
O 2
In3
O 2
In3
In3
O 2
O 2
O 2
In3
O 2
3
O 2
In
O 2
(b) 導電性的物理機制
11
第四章
非晶矽太陽能電池
P 97
4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

就銦錫氧化物而言，透明導電薄膜成形的
方法：
濺鍍法 (Sputtering)
 電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation)
 熱蒸鍍法 (Thermal Evaporation Deposition)
 化學氣相鍍膜法 (Chemical Vapor Deposition)
 噴霧熱裂解法 (Spray Pyrolysis)

12
第四章
非晶矽太陽能電池
P 100
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

薄膜型矽太陽能電池元件的製作方法：






13
液相磊晶 (Liquid Phase Epitaxy, LPE)
低壓化學蒸鍍 (Low Pressure CVD, LP-CVD)
常壓化學蒸鍍 (Atmosphere Pressure CVD, APCVD)
電漿強化化學蒸鍍 (Plasma Enhanced CVD, PECVD)
離子輔助化學蒸鍍 (Ion Assisted CVD, IA-CVD)
熱線化學蒸鍍 (Hot Wire CVD, HW-CVD)
第四章
非晶矽太陽能電池
P 101
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

就電漿技術的應用而言：

物理式沉積技術 (Physical Vapor Deposition, PVD)
化學式沉積技術 (Chemical Vapor Deposition, CVD)

乾式蝕刻技術 (Dry Etching)


就電漿狀態而言，氣體分子或粒子的碰撞機制
方式：

有游離化 (Ionization)
分解化 (Dissociation)
分解游離化 (Dissociative Ionization)

激發鬆弛化 (Excitation & Relaxation)


14
第四章
非晶矽太陽能電池
P 103
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術
薄膜沉積及形成 (Film Deposition and Formation)
氧化處理 (Oxidation Treatment)
離子佈植 (Ions Implantation)
電漿技術的應用
乾式蝕刻處理 (Dry Etching Treatment)
光阻去除及剝離 (Photoresist Removing)
聚合化 (Polymerization)
圖4-7
15
電漿技術的應用分類示意圖
第四章
非晶矽太陽能電池
P 103
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

利用電漿沉積技術來進行原子薄膜層的沉積以
及形成，一般原子薄膜層沉積技術 (Atomic
Layer Deposition, ALD)，可以分為四大反應步
驟：




16
1.反應性前驅體分子 (Precursor Molecules) 沉積於基
板表面而呈飽和狀態，並進行表面吸附化學反應。
2.將惰性載體氣體 (Inert Carrier Gas) 注入，而將過剩
的或未反應的反應性前驅體分子帶出反應腔
(Reaction Chamber)。
3.在基板表面進行自我限制性化學反應，並將原子一
層一層地堆積或階梯覆蓋 (Step Coverage)，以形成薄
膜層。
4.將惰性載體氣體注入，而將副反應的以及過剩的反
應性前驅體分子帶出反應腔 第四章 非晶矽太陽能電池 P 104
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術
無機原子薄膜層沉積法
(IO-ALD)
有機金屬原子薄膜層沉積法
(MO-ALD)
AP-CVD
原子薄膜層沉積技術
(Atomic Lay Deposition, ALD)
加熱式原子薄膜層沉積法
(Thermo-ALD)
電漿強化式原子薄膜沉積技術
(PE-ALD)
熱壁式原子薄膜層沉積法
(Hot-Walled)
冷壁式原子薄膜層沉積法
(Cold-Walled)
LP-CVD
PE-CVD
電漿控制式原子薄膜沉積技術
(RP-ALD)
光輔助式原子薄膜沉積技術
(Photo Assistant-ALD)
圖4-8
17
原子薄膜層沉積技術種類以及其分類
第四章
非晶矽太陽能電池
P 105
4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術
操作氣壓範圍
化學氣相沉積技術
(Chemical Vapor Deposition, CVD)
大氣壓式化學氣相沉積
(Atomosphere Pressure CVD, AP-CVD)
760 Toor
標準氣壓式化學氣相沉積法
(Standard Atomosphere CVD, SA-CVD)
10~760 Toor
低氣壓式化學氣相沉積法
(Low Pressure CVD, LP-CVD)
0.1~10 Toor
超低氣壓式化學氣相沉積法
(Ultra Low Pressure CVD, ULP-CVD)
0.1~0.01 Toor
超高真空式化學氣相沉積法
(Ultra High Vacuum CVD, UHV-CVD)
<0.01 Toor
圖4-9 化學氣相沉積技術 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 的種類
以及氣壓大小的區分示意圖
18
第四章
非晶矽太陽能電池
P 105
4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

在矽晶圓片型太陽能電池的製程之中，主
要的薄膜層形成：
表面組織結構
 接面結構
 抗反射薄膜層
 保護薄膜層
 電極薄膜層

19
第四章
非晶矽太陽能電池
P 106
4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術
單晶矽晶圓片
(6) 表面拋光
(5) 切割
(a) 單晶矽晶圓片製作流程
(2) SiHCl3 氣體
(1) 冶金級矽
矽晶圓片太陽能電池
矽晶圓片太陽能電池
p
pn 接面形成
矽鑄錠
n
p
矽晶粒
(3) 還原與熱分解
(4) 溶融及拉晶
正面或表面電極
電極形成
n
p
完
成
背面電極
(b) 製作流程簡意圖
單晶矽晶圓片
(6) 表面拋光
(5) 切割
(a) 單晶矽晶圓片製作流程
矽晶圓片太陽能電池
p
20
圖4-10 矽晶圓片型太陽
能電池的製程
矽晶圓片太陽能電池
第四章
非晶矽太陽能電池
P 107
4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術
(1) 晶圓片
(2) 蝕刻
p
基板
(4) 擴散層 (n 層 ) 形成
(3) 擴散劑塗佈
擴散後塗佈形成
擴散膜形成
n型
p
p
(5) 抗反射膜形成
抗反射膜
n型
p
(c) 太陽能電池胞製作流程 (I)
21
圖4-10 矽晶圓片型太陽
能電池的製程
第四章
非晶矽太陽能電池
P 108
4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術
(7) 背面電極形成 - II
(6) 背面電極形成 - I
抗反射膜
抗反射膜
n型
n型
p
p
Al 層
Al 層
(8) 表面電極形成
(9) 銲錫導線
銲錫導線
n型
n型
p
p
( 銲錫導線 )
( 銲錫導線 )
(10) 特性檢查
n型
p
圖4-10 矽晶圓片型太陽
能電池的製程
(d) 太陽能電池胞製作流程 (II)
22
第四章
非晶矽太陽能電池
P 108
4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術
(1) 填充材
(2) 太陽能電池胞
太陽能電池晶胞
填充材
前面或正面玻璃
(4) 樹脂填充背面保護
(3) 配線
背面保護板
配線
透明樹脂
(5) 金屬框盒組立
(6) 模組完成
金屬線
圖4-10 矽晶圓片型太陽
能電池的製程
(e) 太陽能電池模組製作流程
23
第四章
非晶矽太陽能電池
P 109
4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術
圖4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程
24
第四章
非晶矽太陽能電池
P 111
4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術
圖4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程
25
第四章
非晶矽太陽能電池
P 111
4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術
圖4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程
26
第四章
非晶矽太陽能電池
P 111
4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術
接觸電極 (Contact Electrode)
濺 鍍 (Sputtering)
蒸 鍍 (Evaporation)
光吸收薄膜層 (Absorber Layer)
濺鍍、蒸鍍
電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)
鈍化薄膜層 (Passivation Layer)
濺 鍍
電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)
抗反射層 (Antireflective Layer)
濺 鍍
電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)
矽薄膜型
太陽能電池
圖4-12 矽晶薄膜太陽能電池製程設備的種類示意圖
27
第四章
非晶矽太陽能電池
P 113
4-3-4高密度電漿化學氣相沉積製程技術
高壓電漿式的
低密度電漿式的
低壓電漿式的
電漿化學
氣相沉積法
極高頻電漿輔助式的
電子迴旋共振式的
( 微波電漿式的 )
高密度電漿式的
觸媒式的 ( 熱燈絲式的 )
圖4-13 電漿化學氣相沉積製程技術分類示意圖
28
第四章
非晶矽太陽能電池
P 114
4-3-4高密度電漿化學氣相沉積製程技術
電子迴轉共振式電漿化學氣相沉積
(Electron Cyclotron Resonance CVD, ECR-CVD)
高密度電漿
化學氣相沉積技術
感應耦合式電漿化學氣相沉積法
(Inductively Coupled Plasma CVD, ICP-CVD)
電漿強化輔助式化學氣相沉積法
(Plasma Enhanced/Assisted CVD, PE-CVD)
圖4-14 高密度電漿化學氣相沉積製程
技術種類示意圖
29
第四章
非晶矽太陽能電池
P 114
4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術
(1) 填充材
(2) 太陽能電池胞
太陽能電池晶胞
填充材
前面或正面玻璃
(4) 樹脂填充背面保護
(3) 配線
背面保護板
配線
透明樹脂
(5) 金屬框盒組立
(6) 模組完成
金屬線
30
圖4-15 一般太陽能電
池模組的製作
流程示意圖
第四章
非晶矽太陽能電池
P 117
4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術
防逆流二極體
充電控制電路
量測電路
電壓安定電路
太陽能電池及模組
二次電池蓄電次系統
圖4-16 太陽能電池及其模組，連接一個防逆
二極體元件的等效電路示意圖
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第四章
非晶矽太陽能電池
P 118