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1、光電報告- 多孔矽應用太陽電池1outlinen前言n太陽電池介紹及發電原理n多孔矽如何應用在太陽電池n產業動態n結語2前言n太陽能具有取用不竭、無汙染、實用性高 等特性，雖然人們很早之前早已知道，只 是的光電轉換效率不夠高，而令人振奮的 消息是近來光電轉換效率有逐漸提升的趨 勢，且多孔矽的特性可以運用在抗反射層 上，因此搭上目前熱門的太陽電池風潮， 從現今茂迪的股價就可以看出一點端倪。3太陽能電池的簡介n太陽電池是以半導體製作的元件，其 發電原理是使太陽光射照在太陽電池 上，讓半導體材料吸收0.22.4微米 波長的太陽光，產生電子及電洞對。 電子與電洞對因p-n接面電場而分離 形成光電壓，再
2、經由導線傳輸至負載 使用。n目前太陽電池的種類可分為單晶矽、 多晶矽與非晶矽三種。較成熟的商品 以非晶矽為主，但因非晶矽材料有照 光衰退的問題，且效率僅為610， 因此較少用於發電模板。而結晶矽的 太陽電池因發電效率達1217，故 80 的市場皆屬於結晶矽太陽電池 。但結晶矽太陽電池需使用厚度約 350 微米的矽晶片作為材料，成本較 高。再者，由於太陽電池的原材料採 用高品質的矽晶錠，近年來因使用量 的明顯成長，已日漸不足，這也是結 晶矽太陽電池的一項困境。有鑑於此 ，研發成本較低的薄膜太陽電池乃成 為新的發展方向。目前是以多晶矽與 微晶矽薄膜搭配非晶矽薄膜，以低溫 沈積在便宜的鈉玻璃上，來製
3、作效率 與穩定性都較高的薄膜太陽電池。 4太陽電池的種類種類半導體材料Cell轉換效率理論效率矽結晶矽單晶矽(晶圓型)15-24%30%多晶矽 (晶圓型、薄膜型)10-17%20%非晶矽a-Si(薄膜型)8-13%14%化合物半 導體二元素 GaAs(晶圓型)18-30%CdTe(薄膜型)10-12%三元素CuInSe2(薄膜型)10-12%5太陽電池發電原理n早在一九三年代就已發現電解質 電池照光時電流會增加，證明了光 生電流的現象，但一直到一九五四 年第一個矽製的太陽電池才產生， 當時的效率只有6。一般太陽電 池是以摻雜少量硼原子的p 型半導 體當做基板，然後再用高溫熱擴散 的方法，把濃度
4、略高於硼的磷摻入 p 型基板內，如此即可形成一p-n 接面，而p-n 接面是由帶正電的施 體離子與帶負電的受體離子所組成 。在該正、負離子所在的區域內， 存在著一個內建電位，可驅趕在此 區域中的可移動載子，故此區域稱 之為空乏區。當太陽光照射到一p- n 結構的半導體時，光子所提供的 能量可能會把半導體中的電子激發 出來，產生電子電洞對，電子與 電洞均會受到內建電位的影響，電 洞往電場的方向移動，而電子則往 相反的方向移動。如果我們用導線 將此太陽電池與一負載連接起來， 形成一個迴路，就會有電流流過負 載，這就是太陽電池發電的原理。6多孔矽簡介n多孔矽的形成，是 由電流及HF電解液 在Si的表
5、面產生侵 蝕作用所產生的不 規則的凹洞或柱狀 的Si結構。Porous siliconSi substrate7多孔矽的形成-1n當矽浸泡於氫氟酸 時會形成Si-H鍵結 ，而加正偏壓後氟 離子會取代氫離子 。n而氟離子會繼續替 代氫離子，並使氫 氣產生。8多孔矽的形成-2n而由於Si-F鍵結極化 的影響，使Si-Si的 鍵結變弱，使得氫和 氟離子分別與矽表面 產生鍵結，此時會生 成SiF4 ，並重複之前 的反應。nSiF4與HF化合成可容 於水的H2SiF6。9孔隙率n多孔矽的特性是由孔隙率來衡量的，孔隙率是 描述在多孔矽層孔洞空間與其多孔矽層總體積 的比例。n孔隙率 Porosity = n
6、M1：晶片尚未進行陽極化蝕刻前的重量nM2：晶片經過陽極化蝕刻後的重量nM3：將晶片置於蝕刻溶液去掉多孔矽層後的重 量10多孔矽的尺寸n macroporous平均孔洞尺 寸在2 nm以下。 n mesoporous 平均孔洞尺 寸約在2 nm 50nm之間 。n microporous 孔洞尺寸約 在50 nm以上 。11多孔矽的特性-抗反射12目前矽晶圓n京都議定書即將在明年二月開始執行，綠色能源的需求 造成太陽能發電將漸普遍，連帶太陽電池的上游材料多 晶矽（polysilicon）市場也水漲船高。台灣產界雖矽晶 圓材料供應商已無可避免面臨成本上漲趨勢，但亦有中 小尺寸矽晶圓商成為太陽能電
7、池廠的供貨商，產業界雖 有壓力亦出現商機。 n業者指出，目前全球最大多晶矽供應商日本德山（ Tokuyama）、美國Hemlock半導體等，已經宣佈明年 調高多晶矽材料報價，由現在每公斤三十美元漲升至明 年的七十美元，漲幅高達一倍以上，令矽晶圓廠製造商 叫苦不已。但整體矽晶圓市場仍呈小幅供過於求狀態， 調漲矽晶圓價格仍有相當難度。矽晶圓供應商目前只承 認上游材料漲價漲定的事實，但不敢奢望矽晶圓 價格可隨之上升。 132002年世界太陽電池生產技術分佈 單位：MW技術類型美國日本歐洲其他地 區全球總 計市佔率%單晶平板63.022.5651.5513.3150.4129.36多晶矽20.6184
8、.542.531.3278.954.44非晶矽7.39.018.73.028.015.5Ribbon(矽材)6.91016.93.3CdTe0.61.52.10.4Microcrystal Si/Single Si3.50.23.70.7Si on低成本基材1.71.70.3A-Si on Cz Slice30.030.05.9合計100.6251.07112.7 547.8512.22100資料來源：PV News，Vol.22 No.3 (2003/03)14全球太陽能產業n資料來源：Fuji Chimera/PIDA n其實自一九九年以來，歐 、美、日等先進國家已視發 展太陽能系統為輔助
9、或替代 石化、核能能源的重要政策 ，包括一九九八年美國宣布 推動百萬戶太陽能屋計畫、 一九九九年德國政府推出六 年內補助300MW設置量建 立十萬戶太陽能屋計畫，英 國則計畫到二一年累計 設置目標三萬瓩。 15德國n德國於1999年將屋頂光伏電池計劃擴大到10萬戶，並為 安裝光伏電池的用戶提供10年低息貸款。2001年底，德 國太陽能光伏電池裝機容量為192MW，首次超過了美 國。 n德國聯邦政府曾從長遠出發，制定了促進可再生能源開 發的未來投資計劃，迄今已投入研究經費 億歐元。目前，政府每年投入多萬歐元，用於 開發可再生能源。德國可再生能源發電量所佔比例正在 逐年遞增。據統計，年，可再生能源
10、發電量首 次突破全國電力供應量的。可再生能源已經為德 國創造了萬個就業崗位，年銷售額達億歐元 ，每年為德國減少二氧化碳排放量約萬噸。 16日本n日本在石油危機后調整能源戰 略，並制定節約能源法， 敦促企業在保証同等產出的情 況下，每年以1%的速度遞減 能源消耗。n太陽能發電已經進入部分日本 農家。乘坐新干線，經常可以 看到兩側的民房是藍色的屋頂 ，那就是太陽能電池板。由于 政府對農戶利用太陽能實施補 貼政策，太陽能發電在日本取 得了迅速發展。從2000年起 ，日本太陽能發電量一直位居 世界首位，國內設施容量約為 64萬千瓦，占世界太陽能發 電裝機容量的一半。日本政府 計劃到2010年將國內太陽
11、能 發電設施容量提高到482萬千 瓦，較目前增加約7倍。 17國內太陽能產業n根據EPIA（European Photovoltaic Industry Association）的研究 估計，2010年全球太陽光電產值將達87億美元，為搶佔此一商機 ，工研院材料所近年來積極與民間廠商合作， 成效逐步顯現， 並 以2010年台灣太陽電池年產量280百萬瓦（MW）、總產值新台幣 140億元，佔全球產量10%為目標。 在技術移轉部分，過去幾年來材料所支援輔導的廠商包括光華開 發科技、永炬公司、正懋光電、益通光能、台灣一川金屬建材、 冠宇宙太陽能公司、中國電器、系統電子、日光能及碩升等數家 廠商 。1
12、8茂迪n茂迪新的太陽能電池製造廠建立於台南科學園區中 , 並於 2000 年 11 月開始量產 .2001 年產出 3.5M Wp,2002 年產出 8M Wp,2003 年產出 18M Wp . n且近來提昇Solar Cell之平均轉換效率至15.5%以上；n目前為全世界第十名的太陽能板的製造商。n目前12/31股價為NT 190n茂迪去年在下游需求強勁帶動下，電池產出將提升至32- 35MW，而從其主要原料多晶矽晶圓供應商Deutsche Solar及 ScanWafer今年的營收及獲利表現均較去年同期大幅成長顯 示太陽能電池市場需求漸增溫。該公司今年第三條生產線正 式運作，已開始興建新
13、廠房，預計再引進12部機台，明年產 能將擴充至160MW，另法人預估，茂迪12月電池出貨仍維持 160萬片，加2000萬儀器收入，12月營收將與11月相當，而 明年新增產能效益持續發酵，法人估計營收可達56億元，每 股獲利上看20元。 19台達電n台達電生產的交直流變電器，能將太陽能 產生的直流電轉變成交流電，外銷給全球 第2大太陽能發電國德國。台達電董事 長鄭崇華先後投入6億元在太陽能光電研 發上，2004年6月，更耗資4億元成立 旺能光電，進一步將太陽能發電產業化 。 20結語n目前多孔矽運用在太陽能上產品還沒量產，還需多待努 力，只是趨勢是不會變的，將來必定是再生能源來替代 現今的石化產
14、業；2004年，全球光伏行業進入了 一個前所未有的跳躍式發展年，整個光伏行業 從源頭產品的硅片到終端產品組件出現了供不 應求的局面。n世界範圍內的能源短缺和人們環保意識的增強 ，使得太陽能被認為是21世紀最重要的新能源 。太陽能發電無污染、安全、壽命長、維護簡 單、資源永不枯竭等特點，使得太陽能產業自 20世紀80年代以來得到了迅速發展。全球光伏 電池的生產持續高速增長，每年以30%-40%的 速度遞增。21ReferencenV.M.Aroutiounian,K.R.Maroutyan,A.L.Zatikyan,K.J.Touryan“Calcul ation of the reflecta
15、nce of porous silicon and other antireflection coating to silicon solar cells”, Elsevier Science ,2002nValery Yu Yerokhov*, Ihor I. Melnyk “Porous silicon in solar cell structures: a review of achievements and modern directions of further use”,1999nY. Liua, Z.H. Xionga, Y. Liua, S.H. Xua, X.B. Liua, X.M. Dinga, X.Y. Houa,b,*”A novel method of fabricating porous silicon material: ultrasonically enhanced anodic electrochemical etching” ,Elsevier Science ,2002n太陽能學會n電子時報n工研院22
