电池片组件工艺流程精品课件.ppt

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1、目录,第一章 太阳电池概论,1.1 我们所知道的太阳1.2 太阳辐射1.3 太阳能电池的优缺点1.4 何谓太阳电池1.5 太阳电池的分类1.6 太阳电池的发展史,2.1 半导体基本知识 2.8 太阳电池效率的参数2.2 硅的原子结构 2.8.1 最大功率点2.3 半导体能带理论 2.8.2 能量转换效率2.4 P-N接合 2.8.3 填充因子2.5 光电效应与光伏效应 2.8.4 量子效率2.6 太阳光的光谱照度 2.9 影响太阳电池效率因素 2.7 太阳电池电路模型 2.9.1 造成功率损失原因 2.9.2 提高转换效率方法,第二章 太阳电池的基本原理,3.1 太阳电池材料选定标准3.2 硅

2、原料之特性3.3 多晶硅原料制造流程（Siemens方法） 3.3.1 冶金级多晶硅之制造 3.3.2 三氯硅烷（SiHCl3）的制造与纯化 3.3.3 块状多晶硅原料的制造：Siemens方法3.4 块状多晶硅原料的制造（ASIMI方法） 3.4.1 SiH4原料制造技术 3.4.2 多晶硅原料的制造3.5 粒状多晶硅原料的制造,第三章 多晶硅原料制造工艺,4.1 前言4.2 CZ单晶棒的制造 4.2.1 CZ 拉晶炉设备 4.2.2 CZ 拉晶流程4.3 太阳电池等级CZ单晶片的常用规格4.4 CZ单晶棒品质与良率控制 4.4.1 单晶良率的提升 4.4.2 电阻率的控制 4.4.3 氧在

3、硅晶棒内的形成机构与控制,第四章 太阳电池级单晶硅制造工艺,4.4.4 CZ 晶棒中碳的形成与控制 4.4.5 CZ 晶棒中金属不纯物的来源与控制4.5 晶圆加工成型 4.5.1 修边 4.5.2 切片 4.5.3 蚀刻清洗,5.1 前言5.2 太阳电池基本结构5.3 太阳电池制造流程 5.3.1 硅片检测 5.3.5 等离子蚀刻 5.3.2 表面制绒 5.3.6 减反射膜 5.3.3 扩散制结 5.3.7 丝网印刷 5.3.4 去磷硅玻璃 5.3.8 快速烧结,第五章 结晶硅太阳电池晶片制造技术,6.1 封装6.2 太阳电池组件结构形式6.3 太阳电池组件封装原材料6.4 太阳电池组件制造技

4、术 6.4.1 太阳电池组件工艺流程 6.4.2 制造工艺简介6.4 高效能组件的质量保证,第六章 太阳电池组装工艺,第一章 太阳电池概论,1.1 我们所知道的太阳 太阳是整个太阳系里头最大物体，它所释放的能量是维持整个地球生命最主要的来源，下图是太阳与地球的相对大小，基本上，它的特性是很难用地球上的常用的度量单位去描述的。太阳的质量约为21030公斤，其直径大小约为地球的109倍。 太阳内部最主要的成分为氢与氦，其所占的比例分别为75%及25%左右。太阳中心的密度为1.5105kg/m3,因为热核反应，不断的将氢转变为氦。据估计，每秒钟有3.91045个原子参与这样的核反应，因而使得产生的能

5、量以光的形式从太阳表面散发出去。在太阳所释放的辐射能量中，地球只独得总辐射量的22亿分之一，这相当于1367W/m2，这数值也就是太阳常数。 太阳的表面温度可以高达5500，其内部的温度更高于此，如此的高温，这样的高温，使得太阳上的所有物质都处于放电状态。也由此太阳不是固体，因此它的赤道会比高纬度地区旋转得更快。这种在不同纬度的自转速度之差别会造成了它的磁力线随时间扭曲，引起磁场回路从太阳表面喷发，并引起太阳黑子与日珥,地球相对太阳大小,1.2 太阳辐射 从太阳辐射出来的能量非常巨大，是地球生物赖以维生的主要能源。它不仅决定了地表的温度，也实质提供了主导全球自然界系统运转的能量。不像其他很多星

6、球以X光或无线电波讯号来释放能量，我们的太阳辐射之光谱，所放射出来的能量90%是位于0.1至3m之间，大部分属于可见光范围。但可见光仅占整个辐射光谱之部分而已（如下图），红外线及紫外线也占整个太阳辐射光谱很重要的一部分。,太阳辐射光波长、频率及光子能量的关联性,如上图，太阳辐射的光线波长在210-7 to 410-6公尺之间，每一个波长相对应一个光子能量与频率，越短的波长代表越高的频率与越大的能量。例如，可见光的范围是从波长0.3m之紫外光到波长数微米之红外光，若将这些不同颜色的可见光换算成光子能量，则约为0.4ev到4ev 之间。对于会照黑我们皮肤的紫外线而言，其能量比可见光还高；而红外线的

7、能量则比可见光低。 若将太阳表面放射出来的能量换算成电力的话，它相当于41020MW左右。下图是太阳辐射到地球表面之过程示意图，当太阳能在传送到地球大气层以后，有约2%属于紫外线及其他对人体有害的辐射线会被大气层上部之臭氧层所吸收，有20%被对流层中之水汽、云层和微尘物所吸收。尚有35%的能量被地面、大气或云层等反射返回太空中，约剩43%可以直接到达地面。单就到地面的那一部分来讲，就等于目前全世界商业上年用量的13000倍！这些照射在地球的太阳能量之平均电力约为每平方公尺180W左右。如果这些太阳能可以充分被转换成电能的话，可以成为最佳的替代能量来源之一,太阳辐射到达地表过程反应示意图,太阳辐

8、射照射于地表水平面之强度一般叫做日照率，其照射强度因季节、所处纬度、天气以及一天中时间之不同而异，可以在每分钟每平方公分0卡至1.5卡之间。而且一般包括直射之太阳辐射能与散射部分。散射部分在晴天时所占的比率很低，但在阴天可达90%之多。 太阳电池对于不同波长、颜色的光线会有所不同的反应，例如硅晶太阳电池可以在整个可见光及部分红外光下运作。但一些较长波长的红外光，其能量小于半导体的能隙，所以不足以让太阳电池产生电流。较高能量的辐射光可以产生电流，但大部分的能量则无法被利用，会以热的形式消耗掉1.3 太阳能发电的优缺点 太阳能发电产业是一个充满发展远景的新兴产业，它具有以下的优点和缺点： 1.优点

9、 太阳能取之不尽，用之不竭。在过去漫长的十亿年当中，太阳只消耗了它本身能量的2%而已，照射到地表的1.221017W能源中，已足够应付人类1.331022W的电力需求。, 太阳能可以随地免费取得，没有运输的费用 太阳能发电不会产生环境污染，很环保、很清洁，且不会消耗其他地球资源或导致地球温室效应。 太阳能发电的使用安全性远高于其他的发电方式，且发电设备的维修简单 在一些取电困难的地点（例如太空或偏远落后地区），太阳能发电的成本反而比较低缺点： 因为发电密度低，太阳能发电的设备，必须具有相当大的安装地面。 太阳能受气候、昼夜的影响较大。在晚上无法发电。因此必须配有电力贮存装置。在高纬度或多云的日

10、照地区，较不易推广太阳能发电。 太阳电池产生直流电，若要转换成交流电，会流失412%的能量,1.4 何为太阳能电池 太阳电池（solar cell）是一种能量转换的光电元件，它在经由太阳光照射后，可以把光的能量转换成电能。从物理学的角度来看，有人称之为光伏电池（Photovoltaic,简称PV）,其中Photo就是光，而Voltaic就是电力（electricity）。1.5 太阳电池分类 如下图所示，太阳电池的种类繁多，若依材料的种类来区分，可分为单晶硅(Single CrystalSilicon)、多晶硅(PolyCrystal Silicon) 、非晶硅(Amorphous Silic

11、on,简称a-Si)、-族【包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)】、-族【包括：碲化镉(CdTe)、硒化铟铜（CuInSe2）】,太阳电池的种类,1.6 太阳电池发展史,虽然人类很早就学会如何将太阳能应用在生活上，然而回顾整个太阳电池的发展史上，我们可以追溯到最早的太阳电池技术是发生在1839年，当时的法国物理学家Alexandre-Edmond Becquerel 观察到把光线照到导电溶液内，会发生电流的光伏特效应。但直到1883年，第一个太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来，他是在半导体体材料【硒】上涂一层微薄的金来形成一个简单的电池，

12、但这得到小于1%的能量转换效率。在1927年利用金属（铜)及半导体（氧化铜）接合所形成的太阳电池也被提出。接着，在1930年，硒制电池及氧化铜电池已被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光计，可惜这些早期的太阳电池转换效率都在1%以下。,法国科学家Alexandre-Edmond Becquerel （1820-1891）,而现代化的硅制太阳电池，则直到1946年才由一个半导体研究学者Russell Ohl所开发出来，接着在1954年，三个位于贝尔实验室的科学家意外发现在硅里头掺杂一些不纯物之后对光的敏感度更强烈，使得硅制太阳电池的转换效率可以达到6%左右。见下图，此一重要的里

13、程碑，为发射人造卫星得到一种可贵的能量来源。于是苏联及美国相继在1957及1958年发射了第一颗人造卫星（见图）。在1960年代用在人造卫星上的太阳电池，则都是采用类似图所示的基本构造，这样的构造一直沿用了10年以上的时间。人造卫星的发展，也促使许多政府提供大量研究资金以鼓励开发更先进的太阳电池,早期的硅晶太阳电池PN接合的形成是利用硅溶液在重新凝固的过程，因不纯物的偏析作用而自然形成的“生长界面”,1954年制造的第一个现代化太阳电池结构，利用的是扩散方式在硅单晶片上制造出的PN接合。,太阳电池人造卫星发展，扮演着非常重要的作用,1960年代用在太空用途上的太阳电池,到1973年，发生第一次

14、石油危机后，人们开始把太阳电池的应用转移到一般的民生用途上。在早期的民生太阳电池的运用上，最成功的例子是手表及小型计算器，这些设备通常是利用太阳能来充电镍镉电池，所以他们也可以在微弱的光线下使用。在1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性的蚀刻特性，慢慢的将太阳电池表面的硅的（111）结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。这些金字塔的表面，可以有效地降低太阳光从电池表面反射掉，这使得当时的太阳电池之转换效率可以达到17%的境界。,使用太阳电池的小型计算器,使用蚀刻方法在太阳电池表面蚀刻出的金字塔状的形貌，可以抑制太阳光的反射,从1976年后，整个业界很大的重心是放在降低太阳电池的制

15、造成本，那时的太阳电池的材料，大多是使用柴式长晶法制造出的硅单晶片。由于这种晶片的成本占了生产太阳电池模组的40%以上，所以开始有人利用方向性凝固或铸造的方式来制造出多晶锭，所以第一个多晶硅太阳电池出现在1976年。另外一个降低成本的作法，是吧硅晶片变薄，如此一来，同样一根晶棒就可以切出更多的晶片出来。 在许多科学的努力之下，太阳电池的转换效率不断地提升，到1985年，第一次有人生产出超过20%转换率的硅晶太阳电池。这种作法是在太阳电池表面做出微薄槽的PESC型太阳电池，而在1989年甚至有人发明高达39%能量转换效率的聚光太阳电池，这是先利用透镜将太阳能聚焦后，投射到太阳电池所得到的结果。,

16、1985年发明的微沟槽PESC太阳电池，可超过20%效率,1990年以来，人们开始将太阳电池发电与民生用电结合，于是与市电并网型发电系统开始推广，此观念是它太阳电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连接，如此我们就可以从这两种方式取得电力。 过去的太阳能科学家已展望未来有一天，大量的太阳电池可以照亮整个城市。这样的梦想也因许多的家庭开始在家中安装太阳能板，而更加接近真实。然而受到相对较低的太阳能转换效率的限制及每天可接收阳光时数的限制，想要利用太阳能发电来完全取代燃料发电，似乎仍遥不可及。 由于国际油价节节高涨、不断创新高，加上京都议定书废气减量压力的环保意识抬头，使得传统燃石油、

17、燃煤等发电方式受到限制，因此，世界主要国家近年来乃积极研发以洁净的再生能源来取代矿物燃料发电以减轻传统发电方式所产生之污染问题。即使太阳能发电比传统的燃料发电之成本多出10倍之多，但太阳电池的市场仍稳定的成长之中。德国是世界上太阳电池最普遍的地方，接着是日本及美国。光这三个国家的使用量，就占了全球的80%以上,第二章 太阳电池的基本原理,2.1 半导体基本知识,1.导体、绝缘体、半导体 导 体: 电阻率 10-910-6cm 绝缘体: 电阻率 1081020cm 半导体: 电阻率 10-5107cm2.半导体特点: (1) 电阻率随温度升高和光照增强面减少. (2) 加入微量杂质(掺杂)对其导

18、电性有决定性的影响.3.禁带、价带的导带 (1) 在能带之间的区域没有电子态,这个区域称为“禁带” (2) 电子获得外部能量,有可能从能带中较低的能带跃迁到较高能带. (3) 完全被电子充满的能带称为“满带”, 最高的满带容纳价电子,称为“价带” (4)有的能带只有部分能级上有电子,这部分填充的能带,在外电场作用下,可以产生电流.处于最高满带上的一个能带称为“导带 4.电子和空穴 (1) 半导体在绝对零度时,电子填满价带,导带是空的,不能导电. (2) 当温度高于绝对零度时,在热激发作用下,价电子从价带跃迁到导带. (3) 电子从价带跃迁到导带后,在价带中留下一个空位,邻近的电子可以移动到这个

19、位置上,即空位向相反方向移动, 这种在价带中可以自由移动的空位称为“空穴” (4) “空穴”可以看成带正电的物质粒子。 (5) 半导体就是靠导带中的电子和价带中的空穴的定向移动形成电流。,2.2 硅的原子结构,硅是目前最主要的的半导体材料，它不仅广泛用在太阳电池产业上，也大量用在集成电路等半导体应用上。了解硅的原子结构，将有助于了解太阳电池的发电原理。所以，在此我我们详细介绍硅的原子结构。 硅的原子序为14，其晶体具有类似钻石的结构。在这种钻石结构中，它的最外层电子轨道上，有4个电子环绕原子核运行，而这4个电子又称为价电子。每个硅的4个最外层电子，分别和4个邻近硅原子钟的一个外层电子两两成对，

20、形成共价键，如图。在室温时，这些共价电子被局限在共价键上，所以不像金属一样具有可以自由导电的电子。但是在较高的温度，热振动可能足以打断共价键，并释放一个自由电子来参与导电行为。因此半导体在室温时的电性就和导体一样具有高导电性。,硅的钻石结构,（a）室温下，硅具有完整的共价结构，呈现绝缘特性（b）当共价键被破坏，带负电的自由电子被释放，留下一个带正电的空穴，这种情况下，硅具有导电的特性,2.3 半导体能带理论 在固态物理学上，我们把一个物体的电子依其所占据的能阶大小，可以画出所谓的能带图。在稳定状态之下，电子是占据在所谓的价带里的不同能阶上，而价带与导带之间存在一个能量屏障，我们称之为能间隙。以

21、绝缘体而言，这个能阶高达8ev 以上，所以价带的电子无法被激发到导带来进行导电行为。而半导体的能间隙较小，例如硅的能间隙的1.12ev，因此位于价带的电子可以在吸收高于能间隙的能量之后，被激发到导带来进行导电行为。至于金属之类的导体，其价带与导带互相重叠，没有所谓的能间隙，所以不需要能量就可使电子自由在导带中进行导电行为。,硅的能带图,一个半导体材料的导电能力与其能间隙的大小有关。以电子元件的应用观点来看，在室温时想纯硅这样的本征半导体，其自由电子的密度实在太低了。所以在实际的应用上，必须在半导体材料之中再添加一些固定形态的杂质，这些故意掺入的杂质，便可以戏剧性的改变报道提的电性。这是因为杂质

22、原子灰在导带与价带之间提供一区域性的能阶，使得电子的激发变得更容易。 如下图所示，如果我们在唇硅中掺入拥有5个价电子的原子，例如磷原子，这个杂质原子会取代硅原子的位置。但是，当拥有5个价电子的磷原子核邻近的硅原子形成共价键的时候，会多出1个自由电子，这个自由电子是一个带负电的载子。我们把这样提供自由电子的杂质原子称为施主，而掺杂施主的半导体就是称为N型半导体。,(a)一个五价的磷原子占据了一个硅原子的位置示意图（b）能阶观点示意图,同理，如下图所示，如果我们在纯硅中掺入三价的原子，例如硼原子，这个三价的杂质原子会取代硅原子的位置。但因为硼原子只可以提供3个价电子来和邻近的硅原子形成共价键，因此

23、会在硼原子的周围产生一个空穴，这空穴就是一个带正电的载子。通常，我们把这一个提供空穴的杂质原子称为受主，同时把掺杂受主的半导体称为P型半导体。,(a)一个三价的硼原子占据了一个硅原子的位置示意图（b）能阶观点示意图,2.4 PN接合 将P型及N型半导体如图接合时，会被形成一个二极体。这时右边N型半导体内的过多电子会扩散到左边P型半导体中，以填补其内的空穴。在PN界面附近，因电子与空穴互相结合，会形成一个载子空穴区，或称为空间电荷区，也就是在空乏区里头，不存在着过多的自由电子与空穴。然而N型半导体的过多电子，并不能无限度的一直往左边移动，这是因为电子在接近P型半导体时，受到受主所带的负电荷之排斥

24、力之故。同理，左边P型半导体之空穴，在接近接合处也会受到施主所带正电荷的排斥力。在空乏区里头的这些正、负电荷，存在着一个内建电场构成一个内建电压。 如果要使接合面产生可以流通的电流，那么我们必须施加一个外在电压来克服这一个内建电压，如下图所示，我们在P型的一端接上正电压，N型端接上负电压，如此一来，P型端的空穴会受到正电荷的排斥而流向接合区；相同N型端的空穴电流便会通过接合区而导通，这种电压我们称之为正向偏压。反之，如果在P型的一端接上负电压，N型端接上正电压，电流就无法导通，这种电压我们称之为反向偏压。,在空乏区内的电场是由N型指向P型区的，如果入射光子在此区域内被吸收产生电子-空穴对时，电

25、子会因为内建电场的影响而向N型区漂移，同样空穴也会因为内建电场的影响而向P型区漂移，这样的一种漂移电流就是所谓的光电流。光伏特效应中的光电流是由N型区流向P型区的，这对P-N而言，正好是反向偏压的电流方向。,2.5 光电效应与光伏效应,1887年，由 Heinrich Hertz在实验上发现了光电 (photoelectric) 效应。1905年，爱因斯坦采用了光量子 (photon) 的概念，从理论上成功地解释了这一现象。当时的光电效应是描述光子入射到金属表面，电子要逃逸原子核的束缚就必须给电子施加一个能量，这个能量至少要让电子从导带跳离到价态的最少能量。在实验设置上，是用二片金属和一个电源

26、连接起来，受光照的金属当作阴极发射器 (cathode emitter)，没有光照的金属当作阳极接收器 (anode collector)，外加电场使光照后逃离金属的电子，从阴极跑到阳极，形成光电流 (photocurrent)。 太阳能电池与一般的电池不同，太阳能电池是将太阳能转换成电能的一种直接装置，它不需要透过电解来传达导电离子，而是利用光入射到具有PN接合的半导体上来获得电压的原理-光伏效应。太阳电池结构图如下，首先是以掺杂少量硼原子的P型硅当作基板，然后再用高温热扩散的方法，把浓度略高于硼的磷参入P型基板内，如此一来即可形成以PN结。在N型硅上还要长一层减反射膜，以有效地降低太阳光自

27、硅表面反射的比率。此外，在太阳电池的正面与背面也都必须接上电极。,当太阳光照射到太阳电池时，首先光子会透过减反射膜，然后照射到硅的表面，这些光子的能量被转移到N型硅层的导带电子，使它脱离轨道而产生大量的自由电子，而这些电子的移动又产生了光电流，也就是在PN结处产生电位差。如果我们用导线将此太阳电池与一负载连接起来，形成一个回路就会有电流流过负载，这就是太阳电池的原理。,太阳电池接受光照后产生电流 电压,如果将光照的PN结体二端的金属接触用金属线直接连接，就形成所谓的短路，在金属线上流通的短路电流就等于光电流。若光照的PN结体金属不相连，就形成所谓的开路，此时光电流会在P型区累积额外的空穴在N型

28、区累积额外的电子，因此P端的金属接触会较N端金属端有一较高的电位差，这就是开路电压。 太阳电池需要阳光才能运作，所以使用上大多数是将太阳电池与蓄电池串联，将有阳光时所产生的电能先行储存待无阳光时，蓄电池就可以放电使用。此外，太阳电池产生的电是直流电，若须提供交流电给家电用品或各式电器使用时，还得加装直/交流转换器即逆变器才行。由于单一的太阳电池产生的电流与电压都很小，在应用上需将许多的太阳电池并联及串联，才可以形成较大的电流电压。,2.7 太阳电池光谱照度,太阳电池的能量来源是来自太阳光，因此太阳光的强度与光谱就决定了太阳电池的输出功率。有关太阳关的强度与光谱，可以用光谱照度来表示，也就是每单

29、位波长每单位面积的光照功率，单位为W/m2m.而太阳光的强度则为所有波长之光谱照度的总和，单位W/m2。 光谱照度与量测位置及太阳相对于地表的角度有关，这是因为太阳关在抵达地面之前，会经过大气层的吸收和散射。位置与角度的这二项因素，一般是以所谓的空气质量来表示。例如，AM1代表着地表上太阳正射的情况，此状态下的光强度为925 W/m2。而AM1.5则代表在地表上太阳以41.3度角入射的情况，此状态下的光强度为844 W/m2。一般AM1.5 被用来代表地表上太阳的平均照度,太阳,对流层,平流层,高层大气,宇宙真空环境,地球,大 气 环 境,AM=1/sin =0 =90,AM=1/sin=1.

30、5,41.3,2.8 太阳电池电路模型,太阳电池在无外加偏压时,在光线的照射下,由于光伏效应,光照引起的载流子也就是电子和空穴漂移会形成从n 区流到p 区的光电流Iph 。当与外电路接通时,就会有电流通过电路。可见在光照时太阳电池的p n 结就相当于一个电流源。由于一般二极管的正电流方向定义为由p 区流到n 区,相对于原本的理想二极管,太阳电池光照所产生的光电流乃是一负向电流。同时正如前文中所提及的,太阳电池材料本身以及与金属电极的接触面都不可避免地存在着电阻,为了分析方便,把这些电阻全部看成为一个串联电阻Rs ;把不经过p n 结正常电流通道的漏电流都用一个分流电阻Rsh 来表示。因此,当考

31、虑串联电阻和分流电阻时,太阳电池在光照时的等效电路就应该如图所示。根据图 ,由基尔霍夫定律得,即,式中, I 为太阳电池的输出电流,V 为输出电压, 一般很小,光照时太阳电池的等效电路,2.8 太阳电池效率参数,2.8.1 最大功率点 一个太阳电池可以在不同的电压与电流之下操作，电压由0到一个有限高值增加，我们可以独得电能的最大输出功率Pm。最大输出功率Pm=VmIm。其中Vm与Im分别为在最大输出功率时的电流与电压。 电力多少的产生不止受到能量转换效率的影响，也与日照的程度及太阳电池板的面积有关。为了有效地比较不同太阳电池之间的输出功率，我们必须在相同的标准状态下去测试太阳电池。国际公用测量

32、标准，采用以下测试条件： 使用E=1000W/m2的日照辐射度。 使用AM1.5的固定太阳辐射光谱 测试温度为T=25 根据这样的条件所测量到的功率，我们赋予它一个Wp.,2.8.2 能量转换效率 要判别一个太阳电池性能的优劣，最重要的参数就是能量转换效率。转换效率定义为进入太阳电池之太阳辐射光能量（Pin）与太阳电池的输出电能(Pm)的百分比,可以由以下的计算公式表示如下：,其中，E为标准条件下的日照辐射量（单位为W/m2）,Ac为太阳电池面积,越高的转换效率，代表着更多的电力可被产生，由于不同的材料可以吸收的太阳光源之光谱能量不同，所以用来制作太阳电池的材料的种类，是决定能量转换效率大小的

33、一个重要因素之一。目前各种太阳电池的最高效率：单晶硅 24.7%，多晶硅 19.8%、非晶硅14.5%、砷化镓25.7%、硒化镓铟铜（CIGS）18.8%、多结面串叠型33.3%。,由于材料特性上的限制，目前结晶硅太阳电池的效率，几乎已经达到最佳水准要再进一步提升的空间有限，下表为目前商业化的太阳电池的转换效率范围。,在一个三月或九月的晴朗天气之中午，在地球赤道山的太阳辐射量约为1000W/m2.因此这个值才被定位标准的太阳辐射量，它代表着每平方公尺的面积接受到的约1000W的太阳辐射功率。因此，如果我们在赤道附近安装一个面积为1平方米的能量转换效率15%的太阳能板，那么它的发电量将为150W

34、p(=1000W/m21m215%),2.8.3 填充因子 填充因子（FF）是另外一个用来定义太阳电池这个行为的参数。它等于最大功率值（Pm）除上开路电压(Voc)及短路电流（Isc）。,下图为一太阳电池之电压-电流特性图，图中的红色部分为在受到日光照射时的电流与电压曲线，填充因子FF代表着图中黄色四方形面积相对于蓝色四方形面积之比。所以填充因子是一个用来描述IV曲线和一个矩形的类似程度。这个数字越高，表示IV曲线越接近矩形。填充系数是一个小于1而且没有单位的一个数值。,太阳电池电压-电流曲线,这个数值不会因为温度及日照率的改变而产生变化。这个值越接近1越好，在没有串联电阻且分流电阻为无穷大时

35、（即完全没有漏电流时），填充因子最大。任何串联电阻的增加或分流电阻的减少，都会降低填充因子。 我们可将能量转换效率重新以三个重要参数：开路电压Voc、短路电流Isc、填充因子FF，重新表示成：,因此，如果我们想要增加能量转换效率的话，则要同时增加开路电压、短路电流（即光电流）及填充因子（减少串联电阻与漏电流）。,2.8.4 量子效率 量子效率的代表意义为当光线照射到太阳电池表面时，有多少比率的光子可有效地转换成电子-空穴对（即电流）。它通常是在不同波长范围下来测量元件在每个光子能量下的效率。,2.9 影响太阳电池效率因素 目前商业化的太阳电池之实际效率，与其理论极限还有一段差距，例如结晶硅太阳

36、电池的理论值可以达到27%左右，但实际的商业量产仅为10%20%之间。造成这中间差异何在呢？我们又要如何去进一步突破及改善其效率呢？ 2.9.1 造成转换效率损失原因 影响太阳电池效率的主要因素为半导体材料之选择，由于每种材料之能阶隙的大小与其所吸收的光谱各有不同，所以每种材料有其一定的理论能量转换效率。这个原因是因为材料的光谱接受度与太阳光线的光谱之不相契合之故，也就是说太阳电池依其材料之不同，只能吸收一定范围内的光谱能量。此外在实际应用上，转换效率会受该材料之品质影响而无法达到理论值。例如当使用到纯度较低或含有过多结晶缺陷的材料时，效率也会降低。,除了材料本身的影响之外，某些损失是因为太阳

37、电池之结构设计上所造成的，这包括： 1.反射损失：由于部分的太阳光源会自材料的表面反射掉，因而转换效率会损失，因此寻求降低光线反射的方法，将有助于提升效率。 2.表面再复合损失：由光产生的电子-空穴对，可能会在表面产生再复合现象（也就是电子又填回空穴的位置），因此产生的电流变小了。这样的损失就称为表面再复合损失。 3.内部再复合损失：如果由光产生的电子，由于太阳电池材料内部的缺陷而发生产生再复合损失就称为内部再复合损失。 4.串联电阻损失：太阳电池内部或电路的电阻，会使得通过的电流产生的焦耳热之串联电阻损失。 5.电压因子损失：因光线而产生的载子，在PN结面受到空乏区内部电场的影响而移动，因而

38、产生电荷的分极化衍生一个新的电场。因此影响到因掺杂物扩散所产生的内部电位之大小。这样的损失就称为电压因子损失。,2.9.2 提高转换效率的方法 要如何提高太阳电池的转换效率，一般的做法可以从几个方向入手： 1.减少光线自半导体材料表面的反射 如果太阳电池的表面没有经过特别处理的话，将会有30%以上的光线会自表面反射而损失掉。如果要减少光线的反射而增加太阳电池的效率，目前的做法包括： （a）在太阳电池表面加上一层抗反射膜，一般常用的抗反射层为氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化钛（TiO2）等。 （b）将不透光的表面电极作成手指装或网状，这样的结构可以减少光线的反射，使大部分的入射光都

39、能进入半导体材料中。如下图。,电极手指装，可以减少入射光反射,（c）将太阳电池的表面制成凹凸不平的表面，即绒面，这样可以使得光线受到表面多重反射的作用，而更有效率的进入半导体材料中，常用的作法V型沟槽、金字塔型及逆金字塔型表面，见下图,凹凸不平的表面，可助光的吸收,2.减少串联电阻 减少串联电阻可以提高太阳电池的转换效率，在作法上着重金属电极构造之最佳化。例如可以将金属电极埋入基板中以增加接触面积并减少串联电阻。,正、负电极埋入在基板中的太阳电池,3.增加入射光的面积 传统太阳电池的金属电极会影响到入射光接触半导体材料的面积，使用点接触式太阳电池，将正、负电极全部放在背面，这样可以增加太阳正面

40、的入射光面积。,正、负电极全放在背面的点接触太阳电池,4.减少表面发生再复合的几率 利用氢原子钝化、热氧化或退火处理可将太阳电池做钝化处理，这样可以消除半导体材料表面的悬浮键以减低载子再表面发生再结合的几率。,第三章 多晶硅原料制造工艺,3.1 太阳电池材料选择标准,太阳辐射是以可见光为主，可见光的范围是从波长0.3m之紫外光到波长数微米之红外光，若将这些不同颜色的可见光换算成光子能量，则约0.4ev到4ev之间。当光线照射到太阳电池材料上时，如果光子能量小于半导体材料的能隙时，这些光子无法使该材料产生电子-空穴对。如果光子能量大于半导体材料的能隙时，相当于半导体能隙的能量将被半导体吸收掉，因

41、此产生电子-空穴对，而超过能隙的过多能量则会以热的形式消耗掉。因此可以用来制作太阳电池的材料，必须选定在一定的能阶大小范围内，才能达到较佳的利用效率。 一般而言，理想的太阳电池材料必须具备下列特性： 1.能隙大小最好是落在1.1ev到1.7ev之间，而且以直接能隙半导体为佳。 2.组成的材质必须不具有毒性。 3.材料取得容易且制造成本低。 4.可利用薄膜沉积的技术制造并可以以制造大面积的太阳电池。,5.具有良好的光电转换效率。6.具有长时间的稳定性。,3.2 硅原料的特性 硅为间接能隙之半导体，其能隙为1.12ev。所以严格上讲起来，硅并非最理想的太阳电池材料。但因为硅是地表中含量仅次于氧的第

42、二丰富元素，所以材料的取得相对简单，再者硅本身不具毒性，其形成之氧化物也非常稳定又不溶于水，因此硅一直广泛使用在半导体产业上。目前在太阳能电池上应用上，约有90%以上是使用硅材料。 如图所示，我们可以把硅依据其原子的排列方式，分为单晶硅、多晶硅及非晶硅等三类。单晶硅是指硅饿原子排列的周期性延续了一定大小，以一根柴式长晶法所制造出的单晶棒，它的原子排列是全部朝同一方向的，所以这种单晶结构具有比较少的晶格缺陷，用在太阳电池的效率高。至于多晶硅代表着其结构结构是由许许多多不同排列方向的单晶粒所组成的，在晶粒与晶粒之间会存在着原子排列不规则的界面，称之为晶界。由于这些晶界缺陷的影响，使得多晶硅的转换效

43、率比单晶硅来的小。,然而商业化的多胫骨的制造成本比单晶硅低，所以更广泛用在太阳电池上。至于非晶硅的原子排列则是非常松散而没规则的，它是种类似玻璃的非平衡态结构。,单晶硅 多晶硅 非晶硅,在制造单晶硅片或多晶硅片时，必须使用到硅原料，虽然这些硅原料也是具有多晶的结构，但由于内部晶粒过于杂乱没有控制，所以无法直接使用在太阳电池上，而是必须经过特殊的铸造或方向性凝固的方式把它转换为晶粒数较少的多晶硅，或是用柴式长晶法将它转换为单晶硅之后才可当太阳电池的材料。一般业界是用Polysilicon当成硅原料的代称，而用Multicrystalline silicon来称呼这些可用在太阳电池的多晶硅。,3.

44、3 多晶硅原料之制造（Siemens方法） 制造多晶硅原料所使用的起始原料是来自硅砂（SiO2）.下图显示生产多晶硅的整个流程。首先使用高纯度的硅砂，将硅砂置于电弧炉内还原成冶金级的多晶硅原料，由于冶金级的多晶硅原料的纯度无法满足半导体的需求，所以必须再经由一系列的纯化步骤将之转换为太阳电池等级或IC等级的多晶硅。 在纯化上，首先利用Hcl将冶金级的多晶硅原料转换为液态的三氯硅烷（SiHCl3）,接着将三氯硅烷通过多重的分馏法处理，以提高其纯度。最后利用Simens的化学沉积方式（Chemical Vapor Deposition ,CVD）,将高纯度的SiHCl3及氢气（H2）通入约900的

45、反应炉内，SiHCl3与H2反应产生的Si原子会慢慢沉积在已置好的晶钟上而得到多晶硅原料棒。再将多晶硅原料棒敲成块状后，经过酸洗、干燥及包装等程序后，即可依其纯度等级使用在太阳电池或IC产业上。以下详细介绍以上这几个步骤,块状多晶硅原料制造流程,3.3.1 冶金级多晶硅制造方法,全球工业界每年生产出数百万吨的金属级多晶硅原料及冶金级硅原料（MG-Si），其一般纯度约在98.5%左右，这种等级的硅原料大部分是被用在铜铁与铝工业上。例如在铁里添加小部分的硅，就可以增加铜铁的硬度与抗触能力，而在铝工业上也常需要使用硅来生产铝硅合金。在这每年数百万吨的硅原料中，只有1%的冶金级硅原料被用来转换成高纯度

46、的半导体级多晶硅原料。,工业上的冶金级硅原料，是在直径10公尺、高度10公尺以上的大型电弧炉里生产出来的，这种规模的电弧炉每年可生产数万公斤的硅原料，下图是电弧炉示意图，商业化的电弧炉是使用约1030Mw的电能来加热直径约1米左右的石墨电极，使之产生高于2000的电弧。焦炭、煤炭、木屑及其它形态含碳的物质是被用来当还原剂使用，这些碳连同硅砂或块状石英自电弧炉上方加入一大型坩埚内。在高温下，硅砂被碳还原产生液态硅并释放出一氧化碳（CO）。还原式如下： SiO2(s)+2C(s)=Si(l)+2CO(g) 以上只是整个复杂系统里的一个简单化方程式，实际生产上还会发生以下反应：,冶金级电弧炉,1.产

47、生的一氧化碳气体会与氧气反应产生二氧化碳后排到大气环境中 2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)2.部分的硅溶液会被氧化，重新产生SiO气体或SiO2粉尘微粒（小于1m），这些SiO气体中夹杂着SiO2粉尘，可被另外收集，可以应用在混泥土或耐火砖的添加物上。 2Si(l)+O2(g)=2SiO(g) 2SiO2+O2(g)=2SiO2(g)3.其它次反应还包括 SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g) SiO(g)+2C(s)=SiC(s)+CO(g) SiC(s)+SiO2(s)=Si(l)+CO(g) 2SiO(g)=Si(l)+SiO2(g)在这样一个庞大的生产设备制程中，最

48、重要的考量在于如何达到最佳的炉体效果，,这包括如何降低电能的消耗、如何达到高良率与高品质。例如所使用的碳质材料都必须先清洗过以去除一些含有杂质的灰烬。早期的石墨电极都是使用一些昂贵的高品质石墨，现在为降低成本则开始使用比较便宜的石墨。 此时产生的液体硅内约含有13%的不纯物，这些不纯物有：0.21% Fe、0.40.7% Al、0.20.6% Ca、0.12% Ti、0.10.15% C等。要进一步减少这些不纯物的含量时，一般的做法是在液态硅还没凝固之前，加入一些氧化性的气体，及易产生炉渣的添加物（例如， SiO2,CaO /CaCO3,CaO-MgO,CaF2）等，这可使得一些比硅活性强的元

49、素（Al, Ca, Mg等）被氧化移除。 被纯化后的液态硅被掉入铸模内进行凝固过程，接着进入一滚式压碎机内压成小细块（一般大小不超过10公分）。而用来生产半导体等级的冶金级硅多晶硅原料，还得进一步压碎到仅10m的大小粉粒。下图为实际生产冶金级多晶硅原料过程的一些图片。,生产冶金级多晶硅原料实际图,（a）电弧炉的外观,（b）液态硅被倒入铸模,生产一公斤的冶金级多晶硅原料需要1011Mw的电力，而目前生产冶金级多晶硅原料的工厂大约都已有20年以上的历史，因为盖一座这样的工厂设备、资本过于庞大，所以扩充产能不容易。据估计，建立一部生产1千公斤产能的电弧炉，约要1百万美金的投资额。,3.3.2 三氯硅

50、烷（SiHCl3）的制造与纯化 三氯硅烷（ SiHCl3 ）是生产块状多晶硅原料的主要中间原料，它在室温下为无色易燃的液体，其沸点为31.9.下图显示三氯硅烷的制造与纯化流程图。在制造上，我们需将粉末状（小于40m）的冶金级多晶硅原料（MG-Si）与HCl气体，一起加入流体床反应器内，在约600的温度下，Si与HCl会发生以下反应： Si(s)+3HCl(g)=SiHCl3(g)+H2(g) Si(s)+4HCl(g)=SiCl4(g)+2H2(g) 以上的化学反应，可以产生约90%的SiHCl3及10%的SiCl4。实际上，两者的生成比率与反应温度有关，反应温度越高，SiHCl3比率越低。而