Chapter 5 單晶矽及多晶矽太陽能電池 5-1 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進

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1 Chapter 5 單晶矽及多晶矽太陽能電池 5-1 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進
5-1 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進 5-2 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結構及其特 性 5-3 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術

2 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分 ： 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結構及其特性
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 126 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分 ： 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發展及其演進 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結構及其特性 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術

3 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 126 5-1-1 單晶矽太陽能電池的發展及其演進 多晶矽的製作方法，乃是將自然的矽砂，利用電爐還原成純度為98.0% 以上的冶金級金屬矽，其次地將冶金級金屬矽製作成高純度矽烷系列氣體 ( 如三氯矽烷或矽烷 )，再利用還原以及熱分解法，將高純度矽烷系列氣體，製作出高純度的多晶矽顆粒。 單晶矽的製作方法，則是將多晶矽顆粒利用柴可夫斯基長晶法 (Czochralski Crystal Growth, CZ) 或浮動帶熔融長晶法 (Floating Zone Crystal Growth, FZ)，成長出圓柱狀的單晶棒錠，其次地利用內圓周型的薄刀鋸，切割成一片一片的圓形晶圓片；加工後的矽晶圓片存有應變及污染，因而使用的氫氟酸 (HF) 與硝酸 (HNO3) 等所配成的混合酸，進行矽晶圓片表面侵蝕及洗淨。

4 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 127 日本日立製作所公司，開發出兩面受光型太陽能電池及其模組 (Bifacial Photovoltaic Solar Cell and Module)，所使用的材料是單晶矽晶圓片； 所謂的表裏兩面意指太陽能電池胞的前表面或正表面 (Front Surface) 以及其背表面或裏表面 (Rear Surface) 等部分，其間的半導體材料是高效率而信賴性良好的單晶矽。此種類型的太陽能電池胞，稱之為B3太陽能電池胞；亦就是兩面受光型太陽能電池胞具有硼擴散式的背表面電場 (B3-Bifacial Cell with Boron Diffused Back Surface Field)。

5 兩面受光型太陽能電池胞的基本結構，是一種n-p-p 堆疊而成的構造
128 兩面受光型太陽能電池胞的基本結構，是一種n-p-p 堆疊而成的構造 圖5-1　兩面受光型太陽能電池胞的基本結構示意圖

6 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 129 典型的結構以及其外觀尺寸示意圖 圖5-2 兩面受光型太陽能電池模組的基本結構

7 圖5-3 兩面受光型太陽能電池的輸出特性 (a) 以及發電特性 (b) 的關係圖
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 130 圖5-3　兩面受光型太陽能電池的輸出特性 (a) 以及發電特性 (b) 的關係圖

8 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 131 　在日間發電輸出部分，其發電特性是發電輸出與時刻 (Watt/m2 vs. Time) 之間的關係。從此一關係圖之中，可以得知在正午的時刻，其發電輸出量是最大值的；此外，在正午的前後時刻，東西向垂直設置方式的兩面受光型太陽能電池，將出現兩個尖峰最大值的發電輸出量。 　　在年間發電量部分，發電特性則是年間發電量與設置方位角 (kWh/m2/year vs. degree) 之間的關係。兩面受光型太陽能電池的年間發電量，是不隨著其設置方位角的變化而改變的，故其年間發電量是保持一定值的，而且沒有最適化傾斜設置方式的問題。

9 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 131 5-1-2 多晶矽太陽能電池的發展及其演進 多晶矽材料所製作的太陽電池，在製作過程以及成本上均比單晶矽太陽電池的要來得少；但是，多晶矽太陽電池的能量轉換效率，因晶界的存在以及懸吊鍵的增加而變得較低些。當結晶晶粒愈大的話，其晶界存在較少而能量轉換效率將與單晶矽太陽電池的愈近似的；但是，結晶晶粒愈小的話，其晶界存在較多而鍵結性變差，而容易地產生許多的懸吊鍵，進而促使其能量轉換效率變得愈差些。

10 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 132 在2007年的產業報告顯示，全球多晶矽晶圓材料的生產廠商，有美國的Hemlock公司、德國的Wacker公司、挪威的REC (Renewable Energy Corporation) 公司、日本的Tokuyama公司、美國的MEMC公司、日本的Mitsubishi公司、以及日本的Sumitomo公司等，約佔全球生產量的95.0% 左右，而5.0% 左右則是其它較小生產規模的廠商所分享的。

11 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 133 5-2-1單晶矽太陽能電池基本結構及其特性 圖5-4 單晶矽太陽能電池的基本結構，有一般接合型構造、淺接合型構造、以及背表面場型構造等三種

12 圖5-5 光電流的產生是由擴散電流以及漂移電流等兩種不同物理機制的電流所組成的
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 134 圖5-5 光電流的產生是由擴散電流以及漂移電流等兩種不同物理機制的電流所組成的

13 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 135 5-2-2多晶矽太陽能電池基本結構及其特性 多晶矽太陽能電池的種類，有塊狀 (Bulk-Like)、薄膜狀 (Film-Like)、以及球狀 (Spherical or Ball-Like) 等三種。 　在薄膜狀太陽能電池的種類方面，有單一接面式 (Single Junction)、雙重接面式 (Twin Junction)、以及多重接面式 (Multiple Junction or Multijunction) 等；其代表性的結構示意圖，如圖5-6所示

14 圖5-6 單一接面式的 (a)、雙重接面式的 (b)、以及多重接面式的 (c) 結構示意圖
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 135 圖5-6 單一接面式的 (a)、雙重接面式的 (b)、以及多重接面式的 (c) 結構示意圖

15 塊狀的太陽能電池 (Bulk-Like Solar Cell)
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 136 塊狀多晶矽材料，是以熔融的矽鑄造固化而形成的，因為其製程簡單的，故成本較低的。 在矽晶圓型太陽能電池模組的成本方面，其主要的成本是來自於矽晶圓片、太陽能電池胞製程、以及太陽能電池模組組合等，其成本的比例分別地是65.0%、10.0%、以及25.0% 等，而且此一成本結構也會隨著市場需求以及新技術的開發，而產生相對地變化的。

16 薄膜狀的太陽能電池 (Film-Like Solar Cell)
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 137 薄膜狀多晶矽材料，是以氣相或液相化學沉積方式而形成的，因為其製程複雜些的，故其成本較高的。薄膜狀的多晶矽是形成於矽晶圓片、塑膠片、金屬片、或玻璃片等基板材料表面。 在薄膜狀太陽能電池的結構上差異，而有單一接面式的、雙重接面式的、以及多重接面式的或堆疊式的等三種。多重接面式的薄膜太陽能電池，則是高光電轉換效率的堆疊式薄膜太陽能電池。

17 圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 139 圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體

18 圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 139 圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體

19 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 圖5-8 滴下成型設備系統的基本結構圖

20 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 140 氫鈍化處理 (Hydrogen Passivation Treatment) :在球狀矽太陽能電池之內，所存在缺陷 、晶界、雙晶、以及差排的分布，可以經由射頻氫氣電漿處理，使得接面區域的懸吊鍵結失去活性化而產生鈍化效應，此種方式稱之。 一般氫鈍化處理的製程條件，是1.5 Torr氣壓、125 mWatt/cm2射頻功率密度、以及400C溫度，進行兩個小時的氫電漿化處理。

21 圖5-9 球狀矽太陽能電池在氫鈍化處理之前與之後，其輸出特性以及量子轉換效率
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 141 圖5-9 球狀矽太陽能電池在氫鈍化處理之前與之後，其輸出特性以及量子轉換效率

22 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 142 圖5-10 一般球狀矽太陽能電池的製作流程

23 5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 142 5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性 微結晶多層接面式堆疊太陽能電池 (Micromorph Tandem Photovoltaic Module)，乃是在非晶矽 (Amorphous Silicon) 薄膜表面，堆疊不同的微結晶矽 (Microcrystalline Silicon) 薄膜，以形成兩層以上的多層接面式堆疊結構。 此種類型的太陽能電池，具有良好的透視性、低傾斜角而高密度屋頂設置、以及建材或壁牆一體化應用等。 一般代表性的輸出特性，最大輸出電功率是130瓦特 (Watt)，最大輸出動作電流是1.29安培 (A)，以及最大輸出動作電壓101伏特 (V) 等；而短路電流是1.53安培 (A)，開路電壓是131伏特 (V)，以及最大系統電壓是600伏特 (V) 等。

24 5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 144 5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及其特性 圖5-11 在不同溫度 (a) 以及照射強度 (b) 之下，微結晶多層接面式堆疊太陽能電池的電壓 - 電流特性圖

25 並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 144 圖5-12 並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式

26 5-3-1單晶矽太陽能電池的製程技術 145 圖5-13 以規則性以及週期性進行三度空間分布地排列而成的鑽石結構
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 145 5-3-1單晶矽太陽能電池的製程技術 圖5-13 以規則性以及週期性進行三度空間分布地排列而成的鑽石結構

27 圖5-14 非晶矽的、多晶矽的、以及單晶矽的三種不同的結晶型態
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 145 圖5-14 非晶矽的、多晶矽的、以及單晶矽的三種不同的結晶型態

28 圖5-15 柴可夫斯基長晶法 (a) 以及浮動帶熔融長晶法 (b)
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 146 圖5-15 柴可夫斯基長晶法 (a) 以及浮動帶熔融長晶法 (b)

29 圖5-16 零度空間型的點缺陷、一度空間型的線缺陷、二度空間型的面缺陷、以及三度空間型的體缺陷
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 147 圖5-16 零度空間型的點缺陷、一度空間型的線缺陷、二度空間型的面缺陷、以及三度空間型的體缺陷

30 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 150 5-3-2多晶矽太陽能電池的製程技術 矽材料的種類，可以分為冶金級的矽 (Metallurgical Grade Silicon, MGS) 以及電子級的矽 (Electronic Grade Silicon, EGS) 等兩種，冶金級的矽材料又稱之為矽金屬，其純度是98.5%；而電子級的矽材料即是半導體級的矽材料，具有非常高的純度材料，其純度的要求是 %；

31 圖5-17 冶金級矽材料的製程流程 - 碳熱還原製程法的示意圖
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 151 圖5-17 冶金級矽材料的製程流程 - 碳熱還原製程法的示意圖

32 碳熱還原製程 (Carbothermic Reduction Process)
152 碳熱還原製程 (Carbothermic Reduction Process) 主反應 SiO2(s)  2C(s)  Si(l)  2CO(g)  CO2(g) 副反應 Si(l)  1/2O2(g)  SiO(g) SiO(g)  1/2O2  SiO2(s)

33 2SiO2(l)  SiC(s)  3SiO(g)  CO(g) SiO (g)  SiC(s)  2Si(l)  CO(g)
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 152 在內層高溫熱區：反應溫度在1,900~2,100C 2SiO2(l)  SiC(s)  3SiO(g)  CO(g) SiO (g)  SiC(s)  2Si(l)  CO(g) 在外層低溫冷區：反應溫度小於1900C SiO(g)  2C  SiC(s)  CO(g) 2SiO(g)  Si(l)  SiO2(s)

34 精煉製程 (Refining Process)
152 精煉製程 (Refining Process) 其主要的反應式如下： 3(SiO2)  4Al  3Si(l)  2(Al2O3) SiO2  2Ca  Si(l)  2(CaO) SiO2  2Mg  Si(l)  2(MgO) Si(l)  O2  (SiO2)

35 鑄型壓碎製程 (Casting Scratch Process)
153 鑄型壓碎製程 (Casting Scratch Process) 圖5-18 西門子製程法的製作流程示意圖

36 第一階段化學反應式 第二階段化學反應式 Si(s)3HClSiHCl3H2 Si(s)  4HCl  SiCl4  2H2
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 154 第一階段化學反應式 Si(s)3HClSiHCl3H2 Si(s)  4HCl  SiCl4  2H2 SiCl4  H2  SiHCl3  HCl 3SiCl4  2H2Si  4SiHCl3 2SiHCl3  SiCl4  Si  2HCl 第二階段化學反應式 2SiHCl3  SiH2Cl2  SiCl4 SiH2Cl2  Si  2HCl HSiCl3  H2  Si  3HCl HSiCl3  HCl  SiCl4  H2

37 一般矽烷的沸點為12C，而其各階段的化學反應式如下所述的：
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 155 一般矽烷的沸點為12C，而其各階段的化學反應式如下所述的： SiH4  Si2H2 3SiCl4  2H2  Si  4SiHCl3 2SiHCl3  SiH2Cl2  SiCl4 3SiH2Cl2  SiH4  2SiHCl3 SiH4  2H2  Si

38 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 155 圖5-19 聯合碳化物製程法的製作流程示意圖

39 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 156 圖5-20 乙西爾製程法的製作流程示意圖

40 一般四氟化矽 (SiF4) 的沸點為12C，而其各階段的化學反應式如下所述的：
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 157 一般四氟化矽 (SiF4) 的沸點為12C，而其各階段的化學反應式如下所述的： 2H2  Na(Li)  Al(Na, Li)H4 SiF4  Al(Na, Li) H4  SiH4  AlMF4 SiH4  2H2  Si

41 5-3-3 多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術 158 圖5-21 基板型太陽能電池 (a) 以及表板型太陽能電池 (b) 的基本結構示意圖
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 158 多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術 圖5-21 基板型太陽能電池 (a) 以及表板型太陽能電池 (b) 的基本結構示意圖

42 第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 159 圖5-22 基板型太陽能電池的製作流程

43 圖5-23 就非晶矽、微晶矽或多晶矽、以及單晶矽等薄膜而言，其太陽能光譜的吸收特性以及其穿透係數
第五章　單晶矽及多晶矽太陽能電池　P 160 圖5-23 就非晶矽、微晶矽或多晶矽、以及單晶矽等薄膜而言，其太陽能光譜的吸收特性以及其穿透係數

44 5-3-4單晶矽及多晶矽太陽能電池的量測系統 現階段太陽能電池的量測設備系統種類： 1.四點探針量測儀 (Four-Point Probe)
162 5-3-4單晶矽及多晶矽太陽能電池的量測系統 現階段太陽能電池的量測設備系統種類： 1.四點探針量測儀 (Four-Point Probe) 2.非接觸式晶圓片電阻值量測儀 (Contact-Less Resistivity Tester) 3.非接觸式晶圓片厚度量測儀 (Contact-Less Thickness Tester) 4.非接觸式晶圓片彎曲度量測儀 (Contact-Less Warp or Bowl Tester) 5.微波壽命量測儀 (Microwave Lifetime Tester) 6.輝光放電質譜分析量測儀 (Glow Discharge Mass Spectroscope) 7.三度空間高解析度顯微鏡 (3-D High Resolution Microscope)