第四部分非晶矽太阳能电池

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1、第四章第四章非晶矽太陽能電池非晶矽太陽能電池 l4-1非晶矽太陽能電池的發展及其演進l4-2非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性l4-3非晶矽太陽能電池的製程技術內容大綱l本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分：l非晶矽太陽能電池的發展及其演進l非晶矽太陽能電池的基本結構及其特性l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P34-2-1非晶矽太陽能電池基本結構非晶矽太陽能電池基本結構 90抗反射薄膜層玻璃基板透明導電薄膜層p-Si型i-Si型p-SiGe型i-SiGe型n-SiGe型背面反射層n-Si型Ag/Al電極-Si:H-SiGe:H-Si:H-SiGe:H-Si:H(a)

2、兩層式(b)三層式抗反射薄膜層玻璃基板透明導電薄膜層p-Si型i-Si型p-SiGe型i-SiGe型n-SiGe型背面反射層n-Si型Ag/Al電極抗反射薄膜層玻璃基板透明導電薄膜層p-Si型i-Si型n-Si型p-SiGe型i-SiGe型n-SiGe型p-Si型i-Si型n-Si型背面反射層Ag/Al電極-Si:H-SiGe:H-Si:H(a)兩層式(b)三層式圖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P4l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 D

3、egradation)：l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 914-2-1非晶矽太陽能電池基本結構非晶矽太陽能電池基本結構 第四章非晶矽太陽能電池P591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非晶矽太陽能電池基本結構 第四章非晶矽太陽能電池P6934-2-2非晶矽太陽能電池特性非晶矽太陽能電池特性 nppni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

4、電流產生的機制示意圖 第四章非晶矽太陽能電池P7944-2-2非晶矽太陽能電池特性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P8l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：l1.高的光透過率l2.低的表面電阻值l3.好的歐姆接觸電極l4.組織化表面結構l5.安定的化學特性964-2-3透明導電薄膜材料及其特性透明導電薄膜材料及其特性 第四章非晶矽太陽能電池P9l透明導電薄膜成形的材料，有摻雜3.010.0 wt%氧化錫的氧化銦(In2O3)，以及銦錫合金等兩種。l銦錫氧化物(Indium Tin Oxide

5、，In2O3-SnO2,ITO)是一種n型的半導體材料。964-2-3透明導電薄膜材料及其特性透明導電薄膜材料及其特性 第四章非晶矽太陽能電池P10l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l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 974-2-3透明導電薄膜材料及其特性透明導電薄膜材料及其特性 第四章非晶矽太陽能電池P11974-2-3透明導電薄膜材料及其特性透明導電

6、薄膜材料及其特性 eeeeeeeeeeeeeee反射可見光入射可見光入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2O2O2O2O2O2O2O2O2O3In3In3In3In3In3In2O2O2O2O3In3In2O2O2O2O2O2O2O2O2O3In3In3In3In3In3In(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P12l就銦錫氧化物而言，透明導電薄膜成形的方法：l濺鍍法(Sputtering)l電子束蒸鍍法(Electron Beam Evaporation)l熱蒸

7、鍍法(Thermal Evaporation Deposition)l化學氣相鍍膜法(Chemical Vapor Deposition)l噴霧熱裂解法(Spray Pyrolysis)1004-2-3透明導電薄膜材料及其特性透明導電薄膜材料及其特性 第四章非晶矽太陽能電池P13l薄膜型矽太陽能電池元件的製作方法：l液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy,LPE)l低壓化學蒸鍍(Low Pressure CVD,LP-CVD)l常壓化學蒸鍍(Atmosphere Pressure CVD,AP-CVD)l電漿強化化學蒸鍍(Plasma Enhanced CVD,PE-CVD)l離子

8、輔助化學蒸鍍(Ion Assisted CVD,IA-CVD)l熱線化學蒸鍍(Hot Wire CVD,HW-CVD)1014-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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P14l就電漿技術的應用而言：l物理式沉積技術(Physical Vapor Deposition,PVD)l化學式沉積技術(Chemical Vapor Deposition,CVD)l乾式蝕刻技術(Dry Etching)l就電漿狀態而言，氣體分子或粒子的碰撞機制方式：l有游離化(Ionization)l分解化(Dissociation)l分解游離化(Dissociative

9、 Ionization)l激發鬆弛化(Excitation&Relaxation)1034-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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P151034-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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(Polymerizati

10、on)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P16l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：l1.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。l2.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)。l3.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

11、層。l4.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 1044-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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P171054-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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-

12、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-CVDLP-CVDPE-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P181054-3-1非晶矽太陽能電池的薄膜製作技術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(Sta

13、ndard 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10760 Toor0.110 Toor0.10.01 Toor0.01 Toor第四章非晶矽太陽能電池P19l在矽晶圓片型太陽能電池的製程之中，主要的薄膜層形成：l表面組織結構l接面結構l抗反射薄膜層l保護薄膜層l電極薄膜層1064-3-2矽晶太陽能電池的製程技術矽

14、晶太陽能電池的製程技術 第四章非晶矽太陽能電池P201074-3-2矽晶太陽能電池的製程技術矽晶太陽能電池的製程技術(1)冶金級矽3(2)SiHCl 氣體矽鑄錠(4)溶融及拉晶(3)還原與熱分解矽晶粒(5)切割(6)表面拋光單晶矽晶圓片(a)單晶矽晶圓片製作流程矽晶圓片太陽能電池ppnnp正面或表面電極背面電極矽晶圓片太陽能電池pn接面形成電極形成完成(b)製作流程簡意圖(1)冶金級矽3(2)SiHCl 氣體矽鑄錠(4)溶融及拉晶(3)還原與熱分解矽晶粒(5)切割(6)表面拋光單晶矽晶圓片(a)單晶矽晶圓片製作流程矽晶圓片太陽能電池ppnnp正面或表面電極背面電極矽晶圓片太陽能電池pn接面形成

15、電極形成完成(b)製作流程簡意圖圖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P211084-3-2矽晶太陽能電池的製程技術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ppn 型n 型pp(c)太陽能電池胞製作流程(I)第四章非晶矽太陽能電池P221084-3-2矽晶太陽能電池的製程技術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pAl 層n 型n 型pp抗反射膜n 型pAl 層銲錫導線n 型p(銲錫導線)

16、(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P231094-3-2矽晶太陽能電池的製程技術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P241114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術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

17、製程 第四章非晶矽太陽能電池P251114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術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P261114-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術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P271134-3-3矽晶薄膜型的太陽能電池的製程技術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(Passivat

18、ion 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P281144-3-4高密度電漿化學氣相沉積製程技術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P291144-3-4高密度電漿

19、化學氣相沉積製程技術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P301174-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術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P311184-3-5非晶矽太陽能電池的模組製程技術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