染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 010 矽半導體太陽能電池的型態分類

矽半導體太陽能電池如果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。
矽薄膜太陽能電池
矽薄膜太陽能電池(thin film silicon solar cells)的矽結晶層厚度約5~50毫米(μm)，就考量降低成本這點來說，基材可以用矽材料、陶瓷、玻璃或石墨。特別是使用矽材料，因為電子與電洞之間的傳導距離很短，所以對矽材料的純度要求不高，使用次級矽材料就可以了。少了較耗能之矽錠成長與切片的製程，發電成本可進一步降低，加上膜層結構與發展成熟之晶矽電池相同為PN接合，具有降低發電成本之優勢。但因為矽層膜薄，為非直接能隙之半導體材料，吸光效率較差。為了提高光吸收率，通常在設計上，需導入光線流滯的概念，光吸收設計變得非常重要，此點與其他薄膜型光電池不同。
這類薄膜型太陽能電池的製造方法很多，但無法商業化量產。目前研究較多的有化學蒸鍍(CVD)包括低壓與常壓化學蒸鍍(LP-CVD、AP-CVD)、電漿強化化學蒸鍍(PE-CVD)、液相磊晶(liquid phase epitaxy，LPE)、熱線化學蒸鍍(HW-CVD)，以及離子輔助化學蒸鍍(IA-CVD)等。


(上：太陽能電池模組正面，下：模組側面，defined dimple and [darker] crater contact holes)
矽薄膜太陽能電池結構示意圖

目前實驗室裡矽薄膜太陽能電池的光電轉換效率最高為21.5%。AstroPower, Inc.(APWR)曾發表16.6%之產品，而三菱公司則是發表100cm2的電池有16%的轉換效率。三菱產品較為特殊，用的是轉移法，將單晶矽基板成長之薄膜轉移至玻璃上面，但16%的效率仍不具有商業生產之價值。德國Fraunhofer ISE也曾發表使用石墨基板，效率達13.4% 。目前這類產品以一公尺見方之玻璃基板為主，模組效率約8%。整體而言，此類電池效率落差大，實驗室製程可否量產將決定產品之未來。


Astropower公司矽薄膜太陽能電池產品


CSG solar公司矽薄膜太陽能電池產品



德國Fraunhofer ISE公司矽薄膜太陽能電池產品
目前市場唯一主打結晶矽薄膜的廠商是澳洲的CSG solar ，其前身為新南威爾斯大學的技術團隊獨立出來的Pacific solar。目前CSG-80模組輸出為75～90W效率6～7%已賣出1MW。CSG-80模組在1.4m2的玻璃基板上沉積矽之後利用後處理使其結晶，因為後續使用之高溫製程，因此需要較高等級之硼玻璃，這項產品利用特殊的結構設計讓它能夠兼顧高效率與穩定的製程，N+-P-P+結構利用雷射脫落形成圖案，透過絕緣層的填孔，使其成為一個串接的結構，其製程線寬約為數百微米，因此適合各種塗佈製程。2007年小型模組達到10.4%的效率(29.5mA/cm2、492mV與0.72，面積94cm2，矽膜厚度僅2.2μm)，接下來便是突破大尺寸矽膜不均勻之問題。而德國Fraunhofer ISE的E. Schmich利用高濃度摻雜之矽錠切割而成的晶圓(270μm)當做基板，藉由磊晶的方式沉積高品質之矽膜(20μm)，希望能降低晶圓的成本 。
HIT型太陽能電池
1997年首次提出HIT(heterojunction with intrinsic thin layer)型太陽能電池的是三洋電機公司 ，其原理是利用N型矽晶圓，在表面沉積很薄的非晶矽，當時光電轉換效率可達17.3%。2000年推出雙面發電的太陽能電池，分別於上下層沉積非晶矽。2002年則發表18.4%的效率，而模組為16.2%成績相當的好。2003年因改善電池與電極之接觸，降低了電池與模組的電力損耗、縮小電極增加，有效發電面積與降低電池表面缺陷區域，效率一舉躍升至19.5%，而模組為17.0%。並推出200W之模組，與結晶矽電池模組面積相同(1m2，一般效率16.5%，而模組為12.7%)，發電量卻提升約40%，顯示出其高轉換效率所帶來節省空間與輕量之好處。


三洋電機HIT型太陽能電池與結構示意圖


3 kW of Sanyo HIT modules, grid-tied, on San Juan Island

換言之，設置系統時可以減少模組數量，因此減少系統安裝過程中一些支架、耗材的使用，更節省許多的空間，2005年底已一舉將模組的發電量推至270W。2006年效率提高到22% ，2007年則是發表了在矽晶圓的兩面形成非晶矽(一面為i/p，另一面為i/n作為背面場效)，把電池效率提高到22.3%(39.09mA/cm2、725mV與0.79，面積為100.5cm2)。未來目標是希望能將HIT電池的產量提升三倍，另外晶圓厚度也希望從250μm降至150μm以下。
多接面電池
多接面(multi-junction)或稱串聯式電池(tandem cell)屬於一種運用新穎原件結構的電池，藉由設計多層不同能隙(bandgap, ergy gap)的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計，因為使用不同材質，可盡其所能吸收太陽光的能量，而增加轉換效率。一般是以與a-Si吸收波長不同的a-SiC或a-SiGe來加以堆疊，不過缺點是會提高太陽電池成本。目前由理論計算可知，如果在結構中放入越多層數的電池，將可把電池效率逐步提升，甚至可達到50%的轉換效率。


富士電機SCAF多接面電池構造多接面太陽能電池原理

此類型太陽能電池也有非矽半導體的產品組合出現，且效率非常的好，一些新材料如CdS、InP及SiSn等，皆被陸續開發出來。目前此類型太陽能電池效率最好的是GaInP/GaAs/Ge3接合的多接面電池，一般都能超過30%。波音公司(Boeing Company)下的子公司Spectrolab ，2005年末曾發表39.0%(GaInP/GaInAs/Ge, 236SUNs, 集光型)與32.0%(GaInP/GaAs/Ge, AM1.5G, 1SUN) 宇宙太空用途的太陽能電池。


富士電機F WAVE多接面電池厚度(1mm)只有傳統太陽能電池二百分之一


Spectrolab GaInP/GaAs/Ge三接面太陽能電池
球狀矽太陽能電池
此領域發展的非常晚，主要投入的廠商有Kyosemi 、Kyocera 、2000年左右才加入太陽能電池事業的Fujipream 。還有受託於NEDO 計畫而展開球狀矽太陽能電池研發的Clean Venture 21計畫。
球狀矽太陽能電池是為了節省矽材料使用量所發展出來的技術。球狀矽是利用特殊製造設備，讓熔融的矽往下滴而形成。如果將直徑約1mm的球狀矽相互並排連結，便能形成太陽能電池。最大優點是矽材料用量比結晶矽太陽能電池少了1/5～1/7 。
最新情況是Clean Venture 21公司 ，已開始量產外形尺寸為15cm×5cm的單顆微球狀多晶矽太陽能電池，年產規模為1MW。該球狀矽太陽能電池的光電轉換效率達11.7%，若組裝為太陽能電池模組，則光電轉換效率約是10%。量產的微球狀多晶矽太陽能電池屬於「固定式聚光型太陽能電池」球狀矽的直徑約1mm、半球狀容器的直徑是2.2～2.7mm。將多數個半球狀容器構裝於15cm×5cm的基板中，就能製作出太陽能電池。


固定式聚光型球狀矽太陽能電池的20倍擴大模型與基本構造


球狀矽太陽能電池的關鍵技術在於集光，關與此Clean Venture 21用六角形的反射鏡(凹面鏡 )中放入球狀矽，再利用反射鏡讓光集中在球狀矽上。直接射入球狀矽的光，從球狀矽表面反射出來的光，以及射入反射鏡的光，這三種光能照遍了球體全面，提高效率。
集光型球狀矽太陽能電池性能上的問題，和使用其他新材料的太陽能電池一樣，也是苦惱於轉換效率，目前現在球狀矽太陽能電池的轉換效率約是11.7%，與多結晶矽太陽能電池的13%相比，稍微有些低。
2006年12月集光型球狀矽太陽能電池開發商Fujipream和Clean Venture 21與Photowatt Technologies 簽訂了合作開發意向 。Photowatt Technologies供應球狀矽，Fujipream和Clean Venture 21負責集光型球狀矽太陽能電池單元和模組的生產，同時利用自主通路在國內外銷售。除早期實用化外，三家公司還計劃在提高矽原料利用率、集光型球狀矽太陽能電池高效率化等方面進行合作。



球狀矽太陽能電池

Fujipream可彎曲的球狀矽太陽能電池

另一個此領域重要的公司Kyosemi ，於1998年在北海道成立無重力利用研究所，利用自由落體的無重力環境下，研發出球狀矽太陽能電池，命名為Sphelar®。該球狀矽是約在1430℃的高溫中，經熔融並從14m的高度滴下而製作出來的。由於滴下過程中為約1.5秒的無重力環境，矽會自然固化為直徑1～1.8mm的球狀矽。該球狀矽經配置正負電極就能成為Sphelar®單電池，單電池不需配線，經組裝就能成為聚光型球狀矽太陽能電池模組。經10個發電量為0.5V的球狀矽太陽能電池的串聯接續，就能獲得5V的電力。Sphelar®與板狀太陽能電池最大的不同就在Sphelar®具有三次元的受光特性，能捕捉住來自任何方向的光，不僅是直射光，就連反射光、散光都能充分利用；不論陽光如何移動，Sphelar®模組依然能充分而穩定地發電。由於球狀矽可以低成本製造，目前產能可達到月產200萬個左右的規模，未來課題是要建立大量而廉價的生產體制，並針對應用層面拓展更廣泛的適用領域。


Kyosem 公司的Dome型Sphelar®球狀矽太陽能電池


場效電晶體型太陽能電池
半導體氧化物在顯示器面板(display panel)與太陽能電池等應用中，常作為被動的保護層(passive coating)。雖然它們大部份是透明的，但由於不導電，因此無法作為主動元件的材料。如果能製造出導電的透明半導體氧化物，不但能用來製做透明電路(invisible circuits)，還可能激發出一系列全新的光電應用。此概念下衍生製造的單晶薄膜氧化物半導體(single-crystal thin-film oxide semiconductor)，不但透明，速度比現有的透明電晶體要快十倍以上，這項成果使下一世代的光電設備如看穿式(see-through)顯示器與投影機有機會上市。
理論上，場效電晶體(field-effect transistor, FET)應該要具備高電子遷移率(mobility)，但以氧化鋅等透明氧化物半導體製成的電晶體電子遷移率在室溫下卻只有1～3cm2/volt•sec。由於是以單晶薄膜製造，沒有晶格缺陷(defects)的影響，因此電子遷移率可高達80cm2/volt•sec。目前這種透明電晶體還太貴，無法實際拿來生產太陽能電池 ，但日本科學技術振興事業及東京理工學院所製作的透明電晶體證明 ，具有非常大電子遷移率的透明電晶體元件的確可被製造出來。


場效電晶體型太陽能電池概念圖 與東京理工學院透明電晶體結構示意圖