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3.8x1023kW；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1.8x1014kW，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(SiliconIngotCasting)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。ASEAmerica公司所研發出Edge-definedFilm-fedGrowth(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10 x102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（siliconprocessing）(2)薄膜製程（thin-filmprocessing）(3)高分子製程（polymerprocessing）(4)奈米粒製程（nanoparticleprocessing）(5)透光導體（transparentconductors）,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（siliconbulk）(2)非晶矽薄膜（thinfilm）(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0.20.5m。其吸光頻率範圍約1.11.7eV，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0.20.5m。其吸光頻率範圍約1.11.7eV，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（DIwater）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（PVarray）等，合組成為太陽光電系統（PVsystem）。,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(PyramidTexture)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,RearLocally-diffused)，減少實際電極與矽的接觸面積。(圖三)點接觸式太陽電池(PointContactCells)(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(pyramidtexture)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(pointcontactcell)，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(tandemcell)，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