太阳能电池及转换元件

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1、太陽能電池及轉換元件組長：林漢威 組員：楊宗錞 組員：鄭儒鴻 組員：謝慶忠半導體元件與製程模擬期末分組報告目錄太陽能所帶來之影響 太陽平均年日照量 太 陽 電 池 發 展 史 台灣太陽能電池產業起飛 太陽能電池 太陽能裝置及運用 太陽能發電系統 參考資料太陽能所帶來之影響 第一節 地球上的氣象變化 風：環繞在我們四周，無論是宜人的微風，或是狂烈的暴 風。其本質都是由太陽能源所引發的，當太陽將熱能 傳 遞到地球時，由於地表吸收熱能的效益不同，因此會 產生溫度上的差異。而溫度上的差異隨即造成了壓力上 的差異，而風就依靠著大氣中地區上壓差的不同而吹起了。水力發電跟太陽能有關係嗎？ 因為水力發電是藉由

2、將山中湖水的位能加以轉換為推 動渦輪發電機的動能。當然，水之所以會存在於山上， 便是藉由降雨的機制而產生的，而降雨即是氣象變化的 一種 太陽平均年日照量太 陽 電 池 發 展 史 太陽電池的發展，最早可追溯自1954年由Bell實驗室 所發明出來的，當時研發的動機是希望能提供偏遠地區 供電系統的能源，那時太陽電池的效率只有6%。接著 從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，一直到1969 年美國太空人登陸月球，太陽電池的應用可說是充分發 揮。 人類發展太陽電池的最終目標，就是希望能取代目前 傳統的能源。我們都知道太陽的能量是取之不盡用之不 竭的，從太陽表面所放射出來的能量，換算成電力約 3.8

3、x1023 kW；若太陽光經過一億五千萬公里的距離， 穿過大氣層到達地球的表面也約有1.8x1014 kW，這個 值大約為全球平均電力的十萬倍大。若我們能夠 “有效 的“運用此能源，則不僅能解決消耗性能源的問題，連環 保問題也可一併獲得解決。 太 陽 電 池 發 展 史 第一節 工業界一直在尋找降低成本的方法 捨棄傳統的CZ與FZ長晶方式，改用鑄造矽晶錠 (Silicon Ingot Casting)的方式。 不用輪盤鋸切割晶錠，改用線鋸的方式切割， 如此可節省約30 % 的材料成本。 ASE America 公司所研發出Edge-defined Film- fed Growth(EFG)的拉

4、晶方法，此方法可拉出中 空的八角形柱體，利用雷射切割就可得到10x10 2的晶片，可節省材料在切割上的損失。 採用薄膜技術，此方法可大量節省製造所需的 材料，被認為是最具有低成本潛力的方式。 太 陽 電 池 發 展 史 第二節 太陽能電池的製程種類 目前所知的太陽能電池的製程種類有下列 的區分： (1) 矽製程（silicon processing） (2) 薄膜製程（thin-film processing） (3) 高分子製程（polymer processing） (4) 奈米粒製程（nanoparticle processing ） (5) 透光導體（transparent condu

5、ctors）太 陽 電 池 發 展 史 第三節 太陽能電池元件型態的產品 真正商品化的有以下幾種太陽能電池元件 型態的產品：(1) 矽晶片（silicon bulk） (2) 非晶矽薄膜（thin film） (3) II-VI族晶片（CIGS，也是多層薄膜組 合而成）太 陽 電 池 發 展 史 第四節 太陽能電池元件商品化的現況 下圖是太陽能電池元件商品化的現況： 圖說：太陽能電池元件商品化的現況。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月)台灣太陽能電池產業起飛 第一節 太陽能電池的市佔率 圖說：2005年太陽能電池的市佔率。(資料來源：IEK, 2006年 4月)台灣太陽能電池產

6、業起飛 第二節 台灣太陽能產業供應鏈 圖說：台灣太陽能產業供應鏈。(資料來源：DIGITIMES，2007年 8月)台灣太陽能電池產業起飛 第三節 主要太陽能業者業績 圖說：主要太陽能業者業績（單位：新台幣百萬）。(資料來源： 表列各公司，2007年 8月) 台灣太陽能電池產業起飛 第四節 矽晶圓上中下游產業製程設備 圖說：矽晶圓上中下游產業製程設備一覽表。(資料來源： DIGITIMES, 2007年 8月)台灣太陽能電池產業起飛 第五節 台灣設備供應商 台灣太陽能電池產業起飛 第六節 主要設備業者業績 圖說：主要設備業者業績(單位：新台幣百萬)。(資料來源：表列各公司，2007年 8月)

7、太陽能電池 第一節 太陽能電池的定義太陽能光電池簡稱為太陽能電池或太陽電池， 又稱為太陽能晶片； 在中國大陸稱為硅晶片； 在物理學上稱為光生伏打 ( Photovoltaic )， 簡稱 PV ( photo = light 光線，voltaics = electricity 電力 )。目前市場上，絕大多數的太陽能電池是採用矽晶圓作為材料， 主要是因為矽晶圓太陽能電池的製造原理和過程都和半導體相當接近， 因此在半導體生產技術和設備都已經相當成熟，且人才眾多的情形下， 矽晶圓太陽能電池具有轉換效率佳、設備成本低、量產速度快、良率又 高的優勢，因此預期至少未來十多年，矽晶圓太陽能電池仍然會是市場上

8、的主 流。 太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(一) 矽晶圓太陽能電池 非晶系矽太陽能電池 銅銦鎵二硒太陽能電池 鎘碲薄膜太陽能電池 矽薄膜太陽能電池 染料敏化太陽能電池太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(二) 矽晶圓太陽能電池 自1954年貝爾實驗室發表了具備6 光電 效率的電池後，隨著積體電路的發展，此 類型一直是市場的主角，其市佔率從未低 於80 ，如果只考慮供電超過超過1kW的 市場，更幾乎是100 。究其原因大概可 分為三方面：一、成本與價格；二、模組 的效率；三、產能規模與利用率。太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(三) 非晶系矽太陽能電池 此類型光電池是發展最完

9、整的薄膜式太陽能電池。其結 構通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為 建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。由於非晶系矽具 有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2 0.5m 。其吸光頻率範圍約1.1 1.7eV，不同於晶圓矽的 1.1eV，非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度低 ，因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者 重合機率極高，為必免此現象發生，I層不宜過厚，但如 太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電 池長採多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸光與光電效率 。太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(四) 銅銦鎵二硒太陽能電池 此類型光電池計有兩

10、種：一種含銅銦硒三元素（簡稱 CIS），一種含銅銦鎵硒四元素（簡稱CIGS）。由於其 高光電效率及低材料成本，被許多人看好。在實驗室完 成的CIGS光電池，光電效率最高可達約19 ，就模組 而言，最高亦可達約13 。CIGS隨著銦鎵含量的不同 ，其光吸收範圍可從1.02ev至1.68ev，此項特徵可加以 利用於多層堆疊模組，已近一步提升電池組織效能。此 外由於高吸光效率（105-1），所需光電材料厚度 不需超過1m，99 以上的光子均可被吸收，因此一般 粗估量產製造時，所需半導體原物料可能僅只 US$0.03/W。太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(五) 鎘碲薄膜太陽能電池 此類型薄膜光

11、電池在薄膜式光電池中歷史最久 ，也是被密集探討的一種之一。再1982年時 Kodak首先做出光電效率超過10 的此類型光 電池，目前實驗室達成最高的光電效率是 16.5 ，由美國NREL實驗室完成，其作法是將 已建立多年的電池構造，在進一步增量修改， 並改變部分材質。太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(六) 矽薄膜太陽能電池 最早開發此型光電池是在1970s，至1980s方有大的突 破。其矽結晶層的厚度僅550毫米，可以次級矽材料、 玻璃、陶瓷或石墨為基材。除了矽材料使用量可大幅降 低外，此類型光電池由於電子與電洞傳導距離短，因此 矽材料的純度要求，不若矽晶圓型太陽能電池高，材料 成本可

12、進一步降低。由於矽材料不若其他發展中光電池 半導體材料，具有高的吸光效率，且此型光電池矽層膜 ，不若矽晶圓型太陽能電池矽層厚度約達300微米，為 提高光吸收率，設計上需導入光線流滯的概念，此點是 與其他薄膜型光電池不同之處。太陽能電池 第二節 目前市場上最主要產品(七) 染料敏化太陽能電池 此型光電池可是源自19世紀，人們照相技術的 理念，但一直到超過100年後的1991年，瑞士科 學家Gratzel採用奈米結構的電極材料，以及適 切的染料，組成光電效率超過7 的光電池，此 領域的技術研究開發，才引起大家積極而熱烈 的投入。此項成功結合奈米結構電極與染料而 創造出高效率電子轉移介面的技術，跳脫

13、傳統 無材料固態介面設計，可說是第三代太陽能電 池。太陽能電池 第三節 太陽能電池的發電原理(一)當 P 型及 N 型半導體互相接觸時 ，N 型半導體內的電子會湧入 P 型半導體中，以填補其內的 電洞。在 P-N 接面附近，因 電子電洞的結合形成一個載 子空乏區，而 P 型及 N 型半 導體中也因而分別帶有負、正 電荷，因此形成一個內建電場 。當太陽光照射到這 P-N 結 構時，P 型和 N 型半導體因吸 收太陽光而產生電子電洞對 。由於空乏區所提供的內建電 場，可以讓半導體內所產生的 電子在電池內流動，因此若經 由電極把電流引出，就可以形 成一個完整的太陽能電池。太陽能電池 第三節 太陽能電

14、池的發電原理（二）太陽能電池 第四節 非晶矽太陽能電池特性非晶矽太陽能電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池。 其結構通常為p-i-n（或n-i-p）， p層跟n層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。 由於非晶系矽具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2 0.5m 。 其吸光頻率範圍約1.1 1.7eV，不同於晶圓矽的1.1eV， 非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度低， 因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極高， 為必免此現象發生，I層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。 為克服此困境，此類型光電池長採多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸 光與光電效率。 太陽能電池

15、 第五節 非晶矽太陽能電池優點在1980年代，非晶矽是唯一商業化的薄膜型太陽能電池材 料。非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強， 而且利用澗鍍或是化學氣相沉積方式在玻璃或金屬基板 上生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉，材料成本相對 於其他化合物半導體材料也便宜許多；不過缺點則有轉 換效率低(約57%)，以及會產生嚴重的光劣化現象(就 是在受到UV照射後會使得轉換效率大幅降低)的問題， 因此無法打入太陽能發電市場，而多應用於小功率的消 費性電子產品市場。太陽能電池 第六節 非晶矽太陽能電池製造方式非晶型矽光電池製造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）製造 矽薄膜。基材可以使用大面積具彈性

16、而便宜材質， 比如不銹鋼、塑膠材料等。其製程採取roll-to-roll的 方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高品質導電玻璃層 價格高，以至其總製造成本僅略低於晶型太陽能電 池。 至於多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了電池成本 。 太陽能電池 第七節 單晶矽太陽能電池生產流程方式(一) 1.拉晶 2.修角 3.切片 4.刻蝕 5.清洗 6.擴散及銀漿印刷 7.網印或蒸鍍 太陽能電池 第七節 單晶矽太陽能電池生產流程方式(二) 上游產業製程拉晶：主要的原料為二氧化矽，利用晶種在拉晶爐中成 長出一單晶矽棒。 修角：一般微電子產業所用的晶圓，是直接把單晶矽棒 切片而成，但對於太陽電池而言，通常必須把許多晶片 串聯成一方形陣，為了陣列排列的更緊密