染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 009 矽半導體太陽能電池簡介

矽半導體太陽能電池如果以材料性質的觀點來看，可分為結晶矽 與非結晶矽兩大類。除此之外，也可以型態來加以分類成薄膜型、多接面等等，並無絕對的分類方式。先介紹以矽半導體膜為主軸的分類方式與內容。
1. 單結晶矽
單結晶矽太陽能電池(single crystal silicon solar cell)效率有11%~24%，太空級(蒸鍍式)晶片有16%~24% 。就轉換效率、發電力與電壓範圍、使用年限等條件來說，是目前最成熟的太陽能電池，但是成本也最高，多用於發電廠、充電系統、道路照明系統及交通號誌等。太陽能發電設備主要大廠，如Solar World 、BP Solar 及Sharp ，均以生產此類單晶矽太陽能電池為主。單結晶矽太陽能電池原料為二氧化矽，是由矽晶體切割出來的薄片所造出來的。製造過程分為幾個主要步驟：
‧拉晶：主原料為二氧化矽，經純化後(目前全球僅有少數純化原料廠，供不應求)，再用拉晶爐成長成晶柱。
‧修角：早期製造太陽能電池的晶柱因無修角，直接將圓晶柱切片，所以成品為圓形晶片，現在大多先將晶柱修角成近似四方柱形。切片：用切片機將修成近似四方柱形的晶柱，一片片的切成薄片(像切方形火腿片)，一般切到約0.4～0.5mm的厚度。
‧刻蝕：化學刻蝕及拋光成為0.3mm的薄片(wafer)。
‧清洗：用純水將薄片洗淨。
‧擴散及銀漿印刷：經由擴散爐處理後，製成N型上層及P型下層，再將晶片表面及背面分別用銀漿印刷成輸出電路，一般表面為負極，背面為正極，經由摹擬陽光儀作功率檢測及品管分級後，即為商業成品。
‧蒸鍍：如將表面及背面不經過絲網印刷，而改採光刻及坩鍋蒸鍍式製造抗反射層與表面的輸出導線，再加上其他特殊技術，如此可提高太陽能電池的轉換效率。但坩鍋的容納有限生產量較少，蒸鍍耗時生產速度較慢，其成本及售價將提高許多；太空式單晶片即採用此法。

單結晶矽太陽能電池製程必須在純度非常高矽晶圓上以蝕刻方式製造出太陽能電池，要提煉高純度晶圓需耗相當高的傳統能源，成本非常高。


矽錠 與Sharp NT-175U1單結晶矽太陽能電池


2. 多單結晶矽
多晶矽太陽能電池(polycrystalline silicon solar cell)的效率在13～16%之間，是由矽錠切割出來的薄片(圓晶)所造出來的。圓晶在滲入雜質和安裝電氣接線之後，便制成多晶矽電池。由於矽錠在鑄成時，會多方向形成晶體，因此多晶矽太陽能電池的表面看起來像碎玻璃一樣。
在成本考量下，現在多數太陽能電池屬於多晶矽太陽能電池。因為與單晶矽比起來，每單位面積的光電轉換效率要差些，但生產時所用的能源較少，EPT(energy payback time, 能源回收期)、GEG (greenhouse-effect gas)排出量也比較好 。
近年來此類電池在薄型化上有相當的進展，厚度減至150μm。另外在以玻璃為基板的SOG(自旋塗佈矽玻璃)技術也有望能普及 。多晶矽主要生產商有REC 、Wacker Chemie 、Hemlock Semiconductor 、TOKUYAMA 、MEMC 、Mitsubishi 、Sumitomo-Titanium 等等，排在前七家的廠商產量超過全球多晶矽產量的七成五。
綜合來說，多晶矽太陽能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。


polycrystaline PV cells



multicrystalline i-PERC solar cell


3. 非晶矽
非晶矽 太陽能電池(amorphous silicon solar cell)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。其中以砷化鉀電池效率最高，但成本也最高。
非晶矽太陽能電池常以電漿強化化學蒸鍍法(PECVD)來製造矽薄膜，因為這樣，基材較不受限制，可以是塑膠材料或不銹鋼，所以能擁有彈性及降低成本的優勢。但是高品質導電玻璃層價格高，成本上也只是稍微低於結晶矽太陽能電池而已。目前製程上已可採捲繞方式(roll-to-roll)，但蒸鍍速度非常的慢。電池的結構為P-I-N(或N-I-P)偶及型式，P層跟N層主要作為建立內部電場用，I層則是由非晶系矽所構成。



富士電機非晶矽多接面電池原件結構



由於非晶系矽光吸收能力較佳，因此I層厚度通常只有0.2～0.5μm。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。
另外，此類型太陽能電池因為材料中部份未飽和矽原子，光照射，發生結構變化之故。所以光照使用後，短時間內性能會大幅衰退，也就是發生SWE效應(staebler-wronski effect)，而且幅度約15～35%，是嚴重的缺點。為克服上述缺點，發展出了多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸光與光電效率與彌補SWE效應。但多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，卻也同時提高了電池成本。而為了降低製造成本，業界開始開發利用VHF(very high frequency)電漿進行製膜，提升製程速度，同時以氧化鋅取代二氧化錫作為導電玻璃材料，以降TCO成本。
此型光電池最大的弱點在於其低光電轉化效率。目前此型光電池效率，實驗室僅及約13.5%，商業模組亦僅4～8%，而且改善空間相當有限。趨勢上此類型太陽能電池走向與其他材料複合的多接面的發展空間較大。


愛知博覽會電力館前的太陽電池

4. 微晶矽型
微晶矽其實是非晶矽的改良材料，原文為microcrystalline silicon，mc-Si，或是nanocrystalline silicon，nc-Si)，同時具有非晶矽容易薄膜化，製程便宜的特性，以及晶體矽吸收光譜廣，且不易出現光劣化效應的優點，轉換效率也較高。結構上它介在晶體矽和非晶矽間，主要是在非晶體結構中具有微小的晶體粒子。商品化的情況則有日本Sanyo將a-Si和nc-Si疊層後製成薄膜型，可鍍膜在一般窗戶玻璃上，透光的同時仍可發電 。另外也有以織物為基材的薄膜型太陽能電池。


三菱重工業始量產的微晶矽多接面電池