第四章　非晶矽太陽能電池

4-1 非晶矽太陽能電池的發展及其演進4-2 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性

4-3 非晶矽太陽能電池的製程技術

第四章　非晶矽太陽能電池　P2

內容大綱

本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分： 非晶矽太陽能電池的發展及其演進 非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性 非晶矽太陽能電池的製程技術

88

第四章　非晶矽太陽能電池　P3

4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構

90

圖 4-1 兩層式或三層式非晶矽太陽能電池元件的基本結構示意圖

第四章　非晶矽太陽能電池　P4

史坦伯 - 勞斯基效應 (Staebler-Wronski Effect, SWE) ，又稱之為光輻射性能衰退效應 (Photonic Radiation Degradation) ： 太陽光照射之後的短時間之內，其光電轉換的性能將會大幅地衰退，而其衰退的程度約為 10.0%30.0% ，如圖 4-2 所示

91

4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構

第四章　非晶矽太陽能電池　P5 91

0.1 1.0 10.0 100.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

ocV (initial 0.827 V)csJ (initial 16.5 mA cm)

F.F. (initial 0.703)Eff. (initial 9.6%)

光浴化時間 (Light Soak Time, hours)

H：Si：

DB

DB

DB：懸吊鍵

圖 4-2 史坦伯 - 勞斯基效應以及懸吊鍵的示意圖

4-2-1非晶矽太陽能電池基本結構

第四章　非晶矽太陽能電池　P6 93

4-2-2非晶矽太陽能電池特性

n p

p n

i

厚度 (t)

光

p

光

厚度 (t)

ndf(J )電子擴散電流

dr(J )電子漂移電流

pdf(J )電洞漂移電流

dr(J )漂移電流

圖 4-3 在p-n 接面型以及 p-i-n接面型元件中光電流產生的機制示意圖

第四章　非晶矽太陽能電池　P7 94

4-2-2非晶矽太陽能電池特性

圖 4-4 單晶矽的、非晶矽的、以及多晶矽的結晶結構示意圖

單晶矽 非晶矽 多晶矽

第四章　非晶矽太陽能電池　P8

通常，適用於太陽能電池之透明導電薄膜電極的特性要求有： 1.高的光透過率 2.低的表面電阻值 3.好的歐姆接觸電極 4.組織化表面結構 5.安定的化學特性

96

4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

第四章　非晶矽太陽能電池　P9

透明導電薄膜成形的材料，有摻雜3.0~10.0 wt% 氧化錫的氧化銦 (In2O3) ，以及銦錫合金等兩種。

銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide ， In2O3-SnO2, ITO) 是一種 n 型的半導體材料。

96

4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

第四章　非晶矽太陽能電池　P10

透明導電氧化物具有高的透明性以及高的導電性，其主要的物理機制將分述如下，其基本機制的示意圖，如圖 4-5(a) 以及4-5(b) 所示

在高的導電性方面，其基本的機制是氧空孔缺陷 (Oxygen Vacancy Defect) 以及置入型原子缺陷 (Interstitial Defect) 等所導致的；如圖 4-5(b) 所示

97

4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

第四章　非晶矽太陽能電池　P11 97

4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

e

e e e

ee

e e e

e ee e

e e

反射可見光

透過可見光

(a) 透明性的物理機制

(1) 金屬 (2) 透明導電 ITO 電極

2O

2O

2O

2O

2O

2O

2O

2O2O

3In

3In3In

3In

3In

3In

2O

2O

2O

2O

3In

3In

2O

2O

2O

2O

2O

2O2O

2O

2O

3In

3In

3In

3In

3In

3In

(b) 導電性的物理機制

圖 4-5 高的透明性 (a) 以及高的導電性 (b) 透明導電氧化物的基本物理機制示意圖

第四章　非晶矽太陽能電池　P12

就銦錫氧化物而言，透明導電薄膜成形的方法： 濺鍍法 (Sputtering) 電子束蒸鍍法 (Electron Beam Evaporation) 熱蒸鍍法 (Thermal Evaporation Deposition) 化學氣相鍍膜法 (Chemical Vapor Deposition) 噴霧熱裂解法 (Spray Pyrolysis)

100

4-2-3透明導電薄膜材料及其特性

第四章　非晶矽太陽能電池　P13

薄膜型矽太陽能電池元件的製作方法： 液相磊晶 (Liquid Phase Epitaxy, LPE) 低壓化學蒸鍍 (Low Pressure CVD, LP-CVD) 常壓化學蒸鍍 (Atmosphere Pressure CVD, AP-

CVD) 電漿強化化學蒸鍍 (Plasma Enhanced CVD, PE-

CVD) 離子輔助化學蒸鍍 (Ion Assisted CVD, IA-CVD) 熱線化學蒸鍍 (Hot Wire CVD, HW-CVD)

101

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

第四章　非晶矽太陽能電池　P14

就電漿技術的應用而言： 物理式沉積技術 (Physical Vapor Deposition, PVD) 化學式沉積技術 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 乾式蝕刻技術 (Dry Etching)

就電漿狀態而言，氣體分子或粒子的碰撞機制方式： 有游離化 (Ionization) 分解化 (Dissociation) 分解游離化 (Dissociative Ionization) 激發鬆弛化 (Excitation & Relaxation)

103

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

第四章　非晶矽太陽能電池　P15 103

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

電漿技術的應用

薄膜沉積及形成 (Film Deposition and Formation)

氧化處理 (Oxidation Treatment)

離子佈植 (Ions Implantation)

乾式蝕刻處理 (Dry Etching Treatment)

光阻去除及剝離 (Photoresist Removing)

聚合化 (Polymerization)

圖 4-7 電漿技術的應用分類示意圖

第四章　非晶矽太陽能電池　P16

利用電漿沉積技術來進行原子薄膜層的沉積以及形成，一般原子薄膜層沉積技術 (Atomic Layer Deposition, ALD) ，可以分為四大反應步驟： 1.反應性前驅體分子 (Precursor Molecules) 沉積於基板表面而呈飽和狀態，並進行表面吸附化學反應。

2.將惰性載體氣體 (Inert Carrier Gas) 注入，而將過剩的或未反應的反應性前驅體分子帶出反應腔 (Reaction Chamber) 。

3.在基板表面進行自我限制性化學反應，並將原子一層一層地堆積或階梯覆蓋 (Step Coverage) ，以形成薄膜層。

4.將惰性載體氣體注入，而將副反應的以及過剩的反應性前驅體分子帶出反應腔

104

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

第四章　非晶矽太陽能電池　P17 105

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

原子薄膜層沉積技術(Atomic Lay Deposition, ALD)

無機原子薄膜層沉積法(IO-ALD)

有機金屬原子薄膜層沉積法(MO-ALD)

加熱式原子薄膜層沉積法(Thermo-ALD)

電漿強化式原子薄膜沉積技術(PE-ALD)

電漿控制式原子薄膜沉積技術(RP-ALD)

光輔助式原子薄膜沉積技術(Photo Assistant-ALD)

熱壁式原子薄膜層沉積法(Hot-Walled)

冷壁式原子薄膜層沉積法(Cold-Walled)

AP-CVD

LP-CVD

PE-CVD

圖 4-8 原子薄膜層沉積技術種類以及其分類

第四章　非晶矽太陽能電池　P18 105

4-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術

圖 4-9 　化學氣相沉積技術 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 的種類以及氣壓大小的區分示意圖

化學氣相沉積技術(Chemical Vapor Deposition, CVD)

大氣壓式化學氣相沉積(Atomosphere Pressure CVD, AP-CVD)

標準氣壓式化學氣相沉積法(Standard Atomosphere CVD, SA-CVD)

低氣壓式化學氣相沉積法(Low Pressure CVD, LP-CVD)

超低氣壓式化學氣相沉積法(Ultra Low Pressure CVD, ULP-CVD)

超高真空式化學氣相沉積法(Ultra High Vacuum CVD, UHV-CVD)

760 Toor

操作氣壓範圍

10~760 Toor

0.1~10 Toor

0.1~0.01 Toor

<0.01 Toor

第四章　非晶矽太陽能電池　P19

在矽晶圓片型太陽能電池的製程之中，主要的薄膜層形成： 表面組織結構 接面結構 抗反射薄膜層 保護薄膜層 電極薄膜層

106

4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

第四章　非晶矽太陽能電池　P20 107

4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

圖 4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程

第四章　非晶矽太陽能電池　P21 108

4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

圖 4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程

(1) 晶圓片

(3) 擴散劑塗佈

(5) 抗反射膜形成

(2) 蝕刻

(4) 擴散層 (n 層 ) 形成

擴散膜形成

抗反射膜

擴散後塗佈形成

基板

p

p

n 型

n 型

p

p

(c) 太陽能電池胞製作流程 (I)

第四章　非晶矽太陽能電池　P22 108

4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

圖 4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程

抗反射膜

n 型

p

Al 層

n 型

n 型

p

p

抗反射膜

n 型

p

Al 層

銲錫導線

n 型

p

( 銲錫導線 )

(6) 背面電極形成 - I

(8) 表面電極形成

( 銲錫導線 )

(10) 特性檢查

(7) 背面電極形成 - II

(9) 銲錫導線

(d) 太陽能電池胞製作流程 (II)

第四章　非晶矽太陽能電池　P23 109

4-3-2矽晶太陽能電池的製程技術

圖 4-10 矽晶圓片型太陽能電池的製程

填充材

前面或正面玻璃

配線

金屬線

背面保護板

透明樹脂

太陽能電池晶胞

(1) 填充材

(3) 配線

(5) 金屬框盒組立

(2) 太陽能電池胞

(4) 樹脂填充背面保護

(6) 模組完成

(e) 太陽能電池模組製作流程

第四章　非晶矽太陽能電池　P24 111

4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術

圖 4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程

第四章　非晶矽太陽能電池　P25 111

4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術

圖 4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程

第四章　非晶矽太陽能電池　P26 111

4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術

圖 4-11 矽晶薄膜型太陽能電池的製程

第四章　非晶矽太陽能電池　P27 113

4-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術

圖 4-12 矽晶薄膜太陽能電池製程設備的種類示意圖

矽薄膜型太陽能電池

接觸電極 (Contact Electrode)

光吸收薄膜層 (Absorber Layer)

鈍化薄膜層 (Passivation Layer)

抗反射層 (Antireflective Layer)

濺 鍍 (Sputtering) 蒸 鍍 (Evaporation)

濺鍍、蒸鍍電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)

濺 鍍電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)

濺 鍍電漿式化學氣相沉積 (PE-CVD)

第四章　非晶矽太陽能電池　P28 114

4-3-4高密度電漿化學氣相沉積製程技術

圖 4-13 電漿化學氣相沉積製程技術分類示意圖

極高頻電漿輔助式的

電子迴旋共振式的(微波電漿式的 )

觸媒式的 (熱燈絲式的 )

高壓電漿式的

低壓電漿式的

高密度電漿式的

低密度電漿式的

電漿化學氣相沉積法

第四章　非晶矽太陽能電池　P29 114

4-3-4高密度電漿化學氣相沉積製程技術

圖 4-14 高密度電漿化學氣相沉積製程技術種類示意圖

高密度電漿化學氣相沉積技術

電子迴轉共振式電漿化學氣相沉積(Electron Cyclotron Resonance CVD, ECR-CVD)

感應耦合式電漿化學氣相沉積法(Inductively Coupled Plasma CVD, ICP-CVD)

電漿強化輔助式化學氣相沉積法(Plasma Enhanced/Assisted CVD, PE-CVD)

第四章　非晶矽太陽能電池　P30 117

4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術

圖 4-15 一般太陽能電池模組的製作流程示意圖

填充材

前面或正面玻璃

配線

金屬線

背面保護板

透明樹脂

太陽能電池晶胞

(1) 填充材

(3) 配線

(5) 金屬框盒組立

(2) 太陽能電池胞

(4) 樹脂填充背面保護

(6) 模組完成

第四章　非晶矽太陽能電池　P31 118

4-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術

圖 4-16 太陽能電池及其模組，連接一個防逆二極體元件的等效電路示意圖

太陽能電池及模組

充電控制電路 量測電路 電壓安定電路

防逆流二極體

二次電池蓄電次系統