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專題討論 太陽能電池 指導教授：蕭瑞陽 班級:專題討論 班級:自控四甲 學生：鄭智超 太陽能電池的發展歷史 1849年術語「光－伏」才出現在英語中。 1839年,光生伏特效應第一次由法國物理學家A.E.Becquerel發現。 1883年第一塊太陽電池由Charles Fritts製備成功。 1930年代，照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。 1946年Russell Ohl在申請了現代太陽電池的製造專利。 1950年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術的進步 1954年第一個太陽能電池在貝爾實驗室誕生，太陽電池技術的時代到來。 1960年代開始，美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池做為能量的來 源，到了 70 年代能源危機時，人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般 的民生用途 上。 在臺灣方面，目前生產太陽能電池的主要廠商有光華、茂迪和士林電機等公 司。光華開發科技公司從 1988 年，就以生產非晶矽太陽能電池為主，主要應用 在消耗性電子產品上，像手表、計算機等。在 1999 年，茂迪公司開始在臺南科 學工業園區設廠，以生產單晶矽和多晶矽的太陽能電池為主。士林電機也曾經派 研發團隊到美國接受訓練，學習衛星所使用的太陽能電池板的製造和封裝技術， 同時在 1999 年成功發射中華衛星一號後，更進一步投入民生用途的太陽能電池 研發。 台灣太陽能電池產業發展 台灣投入太陽能電池的發展啟始於1970年代的石油危機時期， 一直到2001年網際網路泡沫化所引起世界性經濟低潮，以及這 幾年由於矽晶圓原物料處於供應吃緊，而造成的供需失衡景況， 一下子整個產業聚集大量的曝光，成為新一波發展的重點。 根據工研院經資中心分析，目前全球太陽能發電容量仍低，不 過在主要先進國家政策鼓勵並積極推動下，美國Clean Edge公 司預測，全球太陽能發電產業規模(含模組、系統組件、設置施 工)將由2003年的47億美元，大幅增長為2013年的308億美元。 因此，未來10年內，世界太陽能發電產業將以平均年增率20%以 上快速成長，成為眾所矚目具有高度發展潛力的替代能源產業。 太陽能電池簡介 太陽能晶片又稱太陽能電池或光電池，是一種利用太陽光直接 發電的光電半導體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓 及電流。 太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式，發電過程中不會 產生二氧化碳等溫室氣體，不會對環境造成污染。按照製作材 料分為矽基半導體電池、染料敏電池、有機材料電池等。 太陽能電池的發電原理 太陽能電池是利用材料的光電效應，把太陽光能直接轉換成電能的元 件。 其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能 當照射 光線的能量大於其能隙時，就會在內部產生自由的電子—電洞 對。但是這些電子—電洞對會很快地再結合或被半導體內許多復合中 心捕捉而消逝。這時，若能施加內部電場，就可在載子對尚未消逝前 迅速把它們引出。這一內部電場可藉由ｐ型半導體及ｎ型半導體的接 合，而在界面處產生。太陽能電池就是利用這內建電場，有效取出電 流而獲致電力。 從光產生電的過程當中可知，薄膜太陽能電池的能量轉換效率，與材 料的能隙大小、光吸收係數及載子傳輸特性攸關，因此廠商就提升轉 換效率的研發方向，往往也從材料選用、鍍膜方面著手。 太陽能電池結構圖 太陽能電池結構 隨著不同材料和製造程序，太陽電池就有不同的 結構。但歸納而言，太陽電池最基本的結構可分 為基板、p-n二極體、抗反射層、和金屬電極四個 主要部分。簡單的說，基板 (substrate) 是太陽 電池的主體，p-n二極體是光伏特效應的來源，抗 反射層乃在減少入射光的反射來增強光電流，金 屬電極則是連接元件和外界負載。 矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽 3 大 類。而目前市場應用上大多為單晶矽及非晶矽較多且廣泛，其原因有 ：(1)單晶效率最高；(2)非晶價格最便宜，且無需封裝，生產也最快 ；(3)多晶的切割及下游再加工較不易，而前述兩種都較易於再切割及 加工。 單晶矽電池最普遍，多用於發電廠、充電系統、道路照明系統及交通 號誌等，所發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限長，世界主 要大廠，如德國西門子、英國石油公司及日本夏普公司均以生產此類 單晶矽太陽能電池為主要，市場佔有率約五成，單晶矽電池效率從 11%~24%，太空級(蒸鍍式) 晶片從16%~24%，當然效率愈高其價格也就 愈貴。 多晶矽電池的效率較單晶矽低，但因製程步驟較簡單，成本亦低廉， 較單晶矽電池便宜20%，因此一些低功率的電力應用系統均採用多晶矽 太陽電池。 非晶矽電池為目前成本最低的商業化太陽能電池，且無需封裝，生產 也最快，產品種類多，使用廣汎，多用於消費性電子產品，且新的應 用產品不斷在開發中，其中以砷化鉀電池是最高效率的電池，但成本 也最高。。 太陽能電池外觀圖 太陽能電池的轉換效率 太陽能電池高效率化的基本原理是結合不同能隙的發電 層材質，做成疊層結構，能分段吸收波長範圍廣泛的太 陽光能。利用具有高低能隙的半導體材料，吸收太陽光 中對應的短波長及長波長的能量 太陽能電池的製作 清洗 (Wafer Cleaning) 第一步就是晶片的清洗 (wafer cleaning)。當然矽晶 片的清洗是看似簡單，但實際上卻可能相當的複雜。 太陽電池的製程是使用sodium hydroxide (NaOH) 或 potassium hydroxide (KOH) 溶液來清洗晶片。一般 而言，晶片的清洗的結果取決於溶液的濃度、溶液加 熱反應的溫度、和反應的時間決定。而所用的容器、 外加氮氣泡泡、甚至處理安置晶片的過程，也有可能 影響晶片的清洗的結果。 結構化 (Texture) 晶片清洗後，其表面要做結構化處理。這可以使用方 向性蝕刻 (anisotropic etching) 來完成。使用NaOH 加 isopropyl alcohol (IPA) 的溶液，就會對矽晶片 (100)表面產生方向性蝕刻，暴露出矽晶<111>的截面， 產生大小不一的金字塔形狀的表面。一般而言，結構 化處理的好壞主要取決於晶片的潔淨度、 NaOH 和IPA 的濃度及其比例、溶液的溫度、和反應的時間。而所 用的容器、IPA揮發的程度、殘餘的sodium silicate 也會影響結構化的結果。 擴散 (Diffusion) 在矽晶片上形成p-n二極體。因為通常使用p-型矽晶片，所以要 做n型磷擴散。一般是使用POCl3加上氧氣與氮氣，在高溫擴散 爐管進行擴散。 產生的磷原子經由高溫擴散的方式進入矽晶格內，形成n-型的 dopant。而矽晶表面也產生一層SiO2。磷的濃度(由氮氣 carrier的流量決定)，氧氣和氮氣的流量，和其引入、作用、 與截止的時間與方式，爐管的溫度隨時間的控制，會決定最終 的擴散結果。而擴散結果，就決定擴散接面的深度、擴散面的 表層電阻(sheet resistance)、和dopant profile。 矽晶表面會和空氣中和氧氣或水氣作用，尤其是加熱造成的 thermal oxidation，表面都會形成二氧化矽(silicon dioxide)。經過磷高溫擴散後，一般的製程，都會使用 hydrofluoric acid (HF) 來除去矽晶表面的SiO2。 邊緣蝕刻 (Edge Etching) 經過擴散製程後，整個p-型晶片便會被一層n-型 doping層包裹著。所以接著便要經由邊緣蝕刻 (edge etching) 的處理，將n-型邊緣除去，才能彰顯出p-n 二極體的結構。這通常是使用CF4 加上O2的電漿蝕刻 (plasma etching)。其結果則取決於晶片堆疊置放的 方式、RF的頻率與功率、作用的時間、CF4 和O2氣體 的流量、與兩者的成份比例。如果edge isolation 處 理不完全，則太陽電池的shunt resistance 便會增大， 太陽電池的效率也因此減低。 電漿鍍模 (SiN Coating) 太陽電池的製程中，一般使用plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)的方法，在晶片上鍍上一層silicon nitride (SiN)的抗反射層鍍膜anti-reflection coating (ARC)。PECVD作用氣體可以使用silane (SiH4) 和 ammonia (NH3)。也可以使用SiH4 和N2，其中SiN:H是指PECVD成長的 silicon nitride 實際上是一富含氫的非晶系結構。PECVD的製 程中，RF的頻率與功率、RF輸入腔體的電極之排列與間距，作 用的時間、作用時的溫度與總氣壓、作用氣體的流量及其成份 比例，等等因素都會決定抗反射層鍍膜的結果。而這結果就決 定鍍膜的組成、矽/氮比例、氫含量、折射係數、密度、介電常 數、電阻、介電強度、能隙、和應力。 網印 (Screen Printing) 網印的目的為將電漿鍍膜後的矽片製作金屬電極。 正面：Ag paste, finger and bus bar 背面：Ag/Al paste for soldering, Al paste for BSF (back surface field) 高溫燒結 (Sintering) 利用紅外線高溫爐進行高溫燒結，為達快速燒結的目 的，300~600oC 是最佳範圍，製作出的電極可將太陽 電池受照光後產生的電子電洞引出電流。 太陽能電池的應用 太陽能電池已經被廣泛運用 在日常生活中，例如手錶、計 算機、汽車、手機等，可見它 有很大的發展潛力，相信未來 太陽能電池可以在能源的運用 上扮演重要的角色。 夜間不能發電是太陽能電池的一大缺點，但是針對這一個缺點 有三種方式可以克服。 把太陽能電池當作補充電力的方案：由於日間電力需求較高， 單純的只讓太陽能電池在日間提供服務剛好可以讓發電廠等供 電源負載更平均、也減少電力網的尖峰負載。 把白天的太陽光能轉成其他的能量形式加以儲存，例如蓄電池、 飛輪裝置、壓縮空氣、抽蓄發電廠等，到黑夜的時候再把儲存 的能量釋放出來。 由於免除了晝夜、溫差及氣候等因素影響，人造衛星可以連續 不停且穩定地接收太陽能，再把它轉換為電能，然後以微波的 方式傳回地球，經過地球微波接收站接收後，再轉換回來成為 電能，輸送到各個地方。 心得 過去，人們都使用石油，近年來，埋藏在地底千萬年的煤炭、石 油，已經漸漸的枯竭，又加上燃燒化石燃料所產生的二氧化碳 、硫、氮氧化物等等的空氣污染物，使得地球嚴重的被污染了 ，不但溫室效應越來越嚴重，且溫度也逐年異常升高。 然後，太陽能電池的出現，使得動力來源多了一種取得方式， 誰也沒想過，在大自然裡天天都能得到陽光卻能轉換成電能， 取代石油這個重要角色，而且太陽能電池在發電過程中卻不影 響自然。目前太陽能電池的轉換效率還不高，希望未來太陽能 電池技術能夠越來越成熟，轉換效率大幅提升，完全代替石油 ，成為主要動力，這是我所期待的。 參考文獻 [1]http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/10/20081031234551 56. df…..張榮傑。高雄縣中山工商。綜合高中。三年六班 [2]維基百科