太阳能电池及转换元件.ppt

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 3.8x1023 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 conductors） 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) 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 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，大部分都先 將單晶矽棒修角成四方形。 切片：用切片機將單晶矽棒切成厚度約0.5毫米的晶圓 。 蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在切片過程中所造成的 應力層。拋光的目的是要降低微粒附著在晶圓上的可能 性。 太陽能電池 第七節 單晶矽太陽能電池生產流程方式(三) 中游產業製程 清洗：用去離子水（DI water）把晶圓表面的 雜質污染物去除。 擴散：一般太陽電池均採用p型的基板，利用高 溫熱擴散的處理，使p型的基板上形成一層薄薄 的n型半導體。 網印或蒸鍍：將製作完成的晶圓，用銀膠印刷 或是用蒸鍍的方法，在晶圓的表面接出導電電 極，如此即可完成一個簡單的太陽電池。 太陽能電池 第七節 單晶矽太陽能電池生產流程方式(四) 圖說：中游產業製程。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月) 太陽能電池 第七節 單晶矽太陽能電池生產流程方式(五) 下游產業製程 單一太陽能電池之電壓約0.5V，可依所需要的 電壓、電流設計，通常以金屬鉛串聯數個太陽 能電池，再將之以前面玻璃、背面塑膠或玻璃 基板，利用特用化學材料封裝，並加上鋁框保 護後，成為太陽光電模組。2000年市售太陽光 電板之最高功率約120W，目前主要產品功率已 達150-190W。至於若干太陽光電模組，可裝配 成更大功率的太陽光電陣列（PV array）等，合 組成為太陽光電系統（PV system）。 太陽能電池 第八節 太陽能電池製作材料比較 太陽能電池除可用矽 材料外，還可以採用其 他的材料來製作，例如 碲化鎘、砷化鎵銦、砷 化鎵等化合物半導體的 材料，但是，因為這些 材料的成本比較高，製 成的元件只適用在一些 比較特殊的應用上。 太陽能電池 第九節 太陽能電池的製作材料 太陽能電池 第十節 矽材料的分類與特性 矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表, 而在市場上又區分為: 1.單結晶矽 2.多結晶矽 3.非結晶 矽. 而目 前市場應用上大多為單晶矽及非晶矽兩大類, 原因 是：一.單晶效率最高. 二.非晶價格最便宜, 且無需封裝, 生產也最快. 三.多晶的切割及下游再加工 較不易, 而前 述兩種都較易於再切割及加工. 太陽能電池 第十一節 太陽能電池材料等級 太陽能電池的功能係以其轉換效率作為分等, 以單結晶 矽來說: 商業級 (印刷式) 晶片從11%15%, 特殊定製品從15%17%, 太空級 (蒸鍍式) 晶片從16%24%, 當然效率愈高其價格就愈貴, 太陽能電池 第十二節 太陽能電池-太空級 經過幾年來世界太陽能車3000公里競賽的經驗, 發現唯有太空式晶片才能經得起長途跋涉的顛簸震動(焊 接點不易脫落),這就是以焊接來說:蒸鍍式晶片與印刷式 晶片在移動環境(車用)使用下的效果差異. 換句話說:固 定式(靜止)的太陽能電池 模組,可以採用較便宜的印刷式 晶片. 但以當今現有的焊接科技而言,在移動(震動)的環 境下使用太陽能電池時,目前還是以太空級(蒸鍍式)的太 陽能電池較為可靠. 太陽能電池 第十三節 如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率（一） 將電極作成手指狀(Finger)，以增加入射光的面積(圖一) 。 將表面製成金字塔型的組織(Pyramid Texture)結構，並 加入抗反射層，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以減少串聯電阻。(圖二) 因金屬與矽的接合處，有大量的缺陷，此易造成逆向飽 和電流降低效率，因此製成PERL(Passivated-Emitter ,Rear Locally-diffused)，減少實際電極與矽的接觸面積 。(圖三) 點接觸式太陽電池(Point Contact Cells) (圖四)，此電池 的特點為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積 ，且易於焊線。 太陽能電池 第十三節 如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率（二） (圖一)(圖二) (圖三)(圖四) 太陽能電池 第十三節 如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率（三） 要如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率，一直是學術界努力的目 標。主要的做法可從下列幾個方向著手： 1. 將不透光的金屬電極作成手指狀(finger)或是網狀，以減少光線的反 射，使大部分的入射陽光都能進入半導體材料中。 2. 將表面製成金字塔型的組織(pyramid texture)結構，並加入抗反射 層，以減少光的反射量。 3. 將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯電阻。 4. 點接觸式太陽電池(point contact cell)，此電池的特點為電極均做在 同一面，如此可增加入射光的面積，且易於焊線。 5. 將太陽電池製成串疊型電池(tandem cell)，把兩個或兩個以上的元 件堆疊起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低能 量光譜的電池放在下層，透過不同材料的電池將光子的能量層層吸 收。 太陽能裝置及運用 第一節 太陽能板構成要素 太陽能晶片(或依設計所需要的電流進行晶片切割後)焊 上箔條導線再將許多焊好的晶片用箔條串聯成一組,再和 EVA,tedlar與低鐵質強化玻璃層層疊疊,一同放入層壓機 (laminate)的機台上做真空封裝, 製成module(plane / panel)稱之為模組或稱太陽能板 太陽能裝置及運用 第二節 太陽能電子計算機 太陽能電子計算機上的太陽能電池是 屬於 “室內型的非晶“ 如果長期拿到戶外曝 曬,且串並聯為較大電壓及電流時,將導致 其內部連結組織燒斷而損壞,這是過去有人 因錯用材料(以為太陽能電池只有一種), 卻 誤以為所有的太陽能電池都不實用的原因. 太陽能裝置及運用 第三節 太陽能冷凍系統 太陽能冷卻器利用熱能像冰箱或一般空調一樣生產冷氣 與/或空氣除濕。這個用途非常適合太陽熱能，因為往往 是最多陽光的日子冷卻的需求最大。太陽冷卻已經成功 示範。當技術成本下降，尤其是小型系統未來可預期大 規模使用。 對沒有電網供電的地區提供電力。用於人道救助組織， 以協助沒有供電的地區儲存疫苗，與一些不想依賴電網 供電的人可以用來冷藏食物。 太陽能裝置及運用 第四節 太陽能烤爐 所謂熱箱原理也叫溫室效應。他是四個側面和底面木板 之類作成的箱子，分內外兩層，中間放絕緣材料，箱子 內壁塗黑，箱子上面裝塊平玻璃板。這樣，當太陽光線 投射到玻璃板上並進入箱子裡面時，塗黑的內表面將很 好的吸收太陽輻射能，從而使箱內可以達到遠比室外高 的溫度。利用這種原理，以製成各種用途的太陽能設備 和器具。 太陽能裝置及運用 第五節 太陽能熱水器 家用熱水生產是今日非常普遍應用的太陽熱能。在一些國家，這已成 了住宅大廈內的常見設備。視乎實際情況和系統的設置，太陽能可以提供 最多接近百分百的熱水。大型系統可提供額外的能源作暖氣之用。我們常 見有兩種主要的技術： 真空管 真空管內的吸收器吸收太陽的輻射線，並加熱內裡的液體，就像在平 面太陽能吸收板。額外的輻射線會被管後的反射器所吸收。當太陽轉向， 真空管的圓形部分可讓太陽直接照射吸收器。即使在多雲的日子，當光線 從多角度照射，真空管的吸收器仍可以非常有效。 平面板太陽能收集器 基本上是一台像天窗般放在屋簷上，蓋有玻璃的盒子。盒子裡是附有 銅翼的一系列銅管。整個系統蓋著一種黑色的物質，用來吸收太陽射線。 射線可加熱在地庫內運行於收集器與加熱器之間的水和抗凝固混合物。 太陽能裝置及運用 第六節 太陽能電池應用 太陽能發電系統 第一節 基本原理 將若干太陽能板組成方陣(列陣array), 接配上過充放保護控制(controller)及深(循環)放電蓄電 池(鉛鈣) 以及逆轉流器(inverter直流轉變為交流) 合稱為太陽能電力系統,又稱太陽能發電站. 太陽能發電系統 第二節 太陽能發電站設立流程 設立太陽能發電站的立案. 用途及電力容量規模的設定. 設置日期及場所的預定. *以上為企劃 / 以下為執行* 細部設計者的委託確認. 光影模型製作 設置場所的氣象調查. 設置方向及仰角的現場放樣. 列陣配置及基礎結構的