Chapter 4 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 4-1 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 第四章 非晶矽太陽能電池 P 88 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
第四章 非晶矽太陽能電池 P 88 4-1 非晶矽太陽能電池的發展及其演進 在1970年代，美國RCA公司，率先地利用矽烷作為基本原料，來研製出第一個非晶矽太陽能電池,其吸光以及光導電特性是較優良的。然而，其結晶構造是比單晶矽的以及多晶矽的要來得差的進而促使其擴散距離變短的。 非晶矽所存在的懸吊鍵 (Dangling Bond) 數量，比單晶矽的以及多晶矽的要來多的，因而造成電子以及電洞的再復合速率 (Recombination Rate) 變快的，如此將使非晶矽太陽能電池的能量轉換效率變差的。一般的解決方式，是將太陽能電池的非晶矽薄膜作得很薄的，以減少電子以及電洞的再復合作用產生。
第四章 非晶矽太陽能電池 P 4-2 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性 目前，一般商業化太陽電池的種類，有單晶矽、多晶矽 以及非晶矽等三種. 現階段的商品化太陽電池的應用，主要仍是以單晶矽的以及多晶矽的等兩種結晶矽為主的；結晶矽有時稱之為矽晶。在2004年，單晶矽的、多晶矽的、以及非晶矽的市場佔有率，分別地是28.6%、56.0%、以及3.4%。
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 圖4-1 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
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 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)： 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
圖4-2 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 圖4-2 史坦伯 - 勞斯基效應以及懸吊鍵的示意圖
92 第四章 非晶矽太陽能電池 P 解決光輻射性能衰退效應所造成的負面作用，一般是使用多層堆疊排列方式，來形成多層式薄膜太陽能電池元件。此外，也有使用光浴化處理 (Light Soaking) 以及150C的熱處理，以使非晶矽薄膜太陽能電池的轉換效率，回復到一穩定的數值。此種光輻射性能衰退效應以及轉換效率回復現象，是可以重覆性地可逆的；
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 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
非晶矽太陽能電池，是指矽原子的堆積方式是紊亂的，而沒有一定的規則性以及週期性排列。 第四章 非晶矽太陽能電池 P 94 非晶矽太陽能電池，是指矽原子的堆積方式是紊亂的，而沒有一定的規則性以及週期性排列。 圖4-4 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 95 通常地，非晶矽對於太陽光的吸收性是大於結晶矽的500倍，故只需要薄薄的一層，就可以將光子的能量有效地吸收，而且不需要使用昂貴的結晶矽基板，可以使用較便宜的玻璃、陶瓷、或金屬等基板. 至於，結晶矽太陽電池的面積，將受限於矽晶圓錠的尺寸大小，而無法延伸至12吋以上的大面積生產。 在周邊環境的溫度方面，在夏季時分的溫度是較高的，非晶矽薄膜太陽能發電系統的發電量是較高的，而結晶矽太陽能電池發電系統的發電量反而是較小的，此乃因為非晶矽薄膜太陽能電池的溫度係數 (0.26%/C)，是小於結晶矽太陽能電池的 (0.50%/C)。
第四章 非晶矽太陽能電池 P 96 非晶矽太陽能電池元件的優點，有生產成本較低的、封裝製程可省略、生產效率較高的、產品種類多樣化、以及應用範圍較廣的等。然而，其缺點方面，則有戶外裝設之後，初期使用的光劣化效應，而促使輸出功率減少15.0%20.0%、光電轉換效率較低的、時效性老化的明顯、以及壽命較短的等。就非晶矽太陽能電池而言，其未來的研究發展方向，有光劣化效應抑制及其安定化、低生產成本化、堆疊式結構、薄膜層薄化、以及軟性透明非晶矽太陽電池等。
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 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 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
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。 第四章 非晶矽太陽能電池 P 96 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，In2O3-SnO2, ITO) 是一種n型的半導體材料。 在利用物理或化學氣相沉積製程進行蒸鍍時，其結晶形態、導電特性、以及光學性等，均受到化學成份、氧分壓、氧 /Ar分壓比、濺鍍電功率、成膜溫度、以及成膜方式等所影響的，特別地是氧分壓的調節以及控制。
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4-5(b) 所示 第四章 非晶矽太陽能電池 P 97 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4-5(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
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 第四章 非晶矽太陽能電池 P 97 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
第四章 非晶矽太陽能電池 P 98
第四章 非晶矽太陽能電池 P 99
就銦錫氧化物而言，透明導電薄膜成形的方法： 濺鍍法 (Sputtering) 100 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)
第四章 非晶矽太陽能電池 P 100 4-3 非晶矽太陽能電池的製程技術 薄膜型 (Film-Based) 矽太陽能電池元件，是有別於塊狀型 (Bulk-Based) 矽太陽能電池元件，而塊狀型矽太陽能電池元件又稱之為晶圓片型 (Wafer-Based) 矽太陽能電池元件。在此，所討論的薄膜型矽太陽能電池元件，是以非晶矽半導體薄膜層為主的。
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： 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 薄膜型矽太陽能電池元件的製作方法： 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, AP-CVD) 電漿強化化學蒸鍍 (Plasma Enhanced CVD, PE-CVD) 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 102 圖4-6 非晶矽太陽能電池的製作流程
第四章 非晶矽太陽能電池 P 103 圖4-7 電漿技術的應用分類示意圖
物理式沉積技術 (Physical Vapor Deposition, PVD) 103 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)
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。 104 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： 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 105 圖4-8 原子薄膜層沉積技術種類以及其分類
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 105 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
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 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 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
第四章 非晶矽太陽能電池 P 107 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 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 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 109 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 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
第四章 非晶矽太陽能電池 P 111 圖4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程
第四章 非晶矽太陽能電池 P 111 圖4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程
圖4-12 矽晶薄膜太陽能電池製程設備的種類示意圖 第四章 非晶矽太陽能電池 P 113 圖4-12 矽晶薄膜太陽能電池製程設備的種類示意圖
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 圖4-13 電漿化學氣相沉積製程技術分類示意圖
圖4-14 高密度電漿化學氣相沉積製程技術種類示意圖 第四章 非晶矽太陽能電池 P 114 圖4-14 高密度電漿化學氣相沉積製程技術種類示意圖
第四章 非晶矽太陽能電池 P 116 太陽能電池的發電能源，是來自於太陽光的光波，其光波波長的分布區域是可見光的光譜，亦就是380760 nm；而且它的光譜特性，是有別於一般的日光燈以及白熾燈的。 在早期的學生時代，所使用的掌上型電子計算機，是附有太陽能電池的，而此一電池是非晶矽型的太陽能電池太陽能電池；
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 圖4-15 一般太陽能電池模組的製作流程示意圖
4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術 118 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 第四章 非晶矽太陽能電池 P 118 4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術 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
第四章 非晶矽太陽能電池 P 119 相同的發電量以及轉換效率的模組系統而言，非晶矽薄膜太陽能電池光電發電系統，裝設此一發電系統所需的總面積，將是大於結晶矽太陽能電池光電發電系統的3.0倍以上。就非晶矽薄膜太陽能電池光電發電系統而言，光電轉換效率是小於結晶矽太陽能電池的；相對地，所需裝設的面積是較大的。唯有提高非晶矽薄膜太陽能電池的光電轉換效率，才可以使裝設此一發電系統所需的總面積，相當而同等於結晶矽太陽能電池光電發電系統的。