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第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,1,Chapter 5 單晶矽及多晶矽太陽能電池,5-1 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn) 5-2 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及其特 性 5-3 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術(shù),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,2,內(nèi)容大綱,本章節(jié)將討論以及探討的內(nèi)容，主要有三大部分 ： 單晶矽及多晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn) 單晶矽及多晶矽太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及其特性 單晶矽及多晶矽太陽能電池的製程技術(shù),126,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,3,多晶矽的製作方法，乃是將自然的矽砂，利用電爐還原成純度為98.0% 以上的冶金級金屬矽，其次地將冶金級金屬矽製作成高純度矽烷系列氣體 ( 如三氯矽烷或矽烷 )，再利用還原以及熱分解法，將高純度矽烷系列氣體，製作出高純度的多晶矽顆粒。 單晶矽的製作方法，則是將多晶矽顆粒利用柴可夫斯基長晶法 (Czochralski Crystal Growth, CZ) 或浮動(dòng)帶熔融長晶法 (Floating Zone Crystal Growth, FZ)，成長出圓柱狀的單晶棒錠，其次地利用內(nèi)圓周型的薄刀鋸，切割成一片一片的圓形晶圓片；加工後的矽晶圓片存有應(yīng)變及污染，因而使用的氫氟酸 (HF) 與硝酸 (HNO3) 等所配成的混合酸，進(jìn)行矽晶圓片表面侵蝕及洗淨(jìng)。,5-1-1 單晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn),126,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,4,日本日立製作所公司，開發(fā)出兩面受光型太陽能電池及其模組 (Bifacial Photovoltaic Solar Cell and Module)，所使用的材料是單晶矽晶圓片； 所謂的表裏兩面意指太陽能電池胞的前表面或正表面 (Front Surface) 以及其背表面或裏表面 (Rear Surface) 等部分，其間的半導(dǎo)體材料是高效率而信賴性良好的單晶矽。此種類型的太陽能電池胞，稱之為B3太陽能電池胞；亦就是兩面受光型太陽能電池胞具有硼擴(kuò)散式的背表面電場 (B3-Bifacial Cell with Boron Diffused Back Surface Field)。,127,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,5,兩面受光型太陽能電池胞的基本結(jié)構(gòu)，是一種n-p-p 堆疊而成的構(gòu)造,128,圖5-1 兩面受光型太陽能電池胞的基本結(jié)構(gòu)示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,6,典型的結(jié)構(gòu)以及其外觀尺寸示意圖,129,圖5-2 兩面受光型太陽能電池模組的基本結(jié)構(gòu),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,7,130,圖5-3 兩面受光型太陽能電池的輸出特性 (a) 以及發(fā)電特性 (b) 的關(guān)係圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,8,在日間發(fā)電輸出部分，其發(fā)電特性是發(fā)電輸出與時(shí)刻 (Watt/m2 vs. Time) 之間的關(guān)係。從此一關(guān)係圖之中，可以得知在正午的時(shí)刻，其發(fā)電輸出量是最大值的；此外，在正午的前後時(shí)刻，東西向垂直設(shè)置方式的兩面受光型太陽能電池，將出現(xiàn)兩個(gè)尖峰最大值的發(fā)電輸出量。 在年間發(fā)電量部分，發(fā)電特性則是年間發(fā)電量與設(shè)置方位角 (kWh/m2/year vs. degree) 之間的關(guān)係。兩面受光型太陽能電池的年間發(fā)電量，是不隨著其設(shè)置方位角的變化而改變的，故其年間發(fā)電量是保持一定值的，而且沒有最適化傾斜設(shè)置方式的問題。,131,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,9,5-1-2 多晶矽太陽能電池的發(fā)展及其演進(jìn),多晶矽材料所製作的太陽電池，在製作過程以及成本上均比單晶矽太陽電池的要來得少；但是，多晶矽太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率，因晶界的存在以及懸吊鍵的增加而變得較低些。當(dāng)結(jié)晶晶粒愈大的話，其晶界存在較少而能量轉(zhuǎn)換效率將與單晶矽太陽電池的愈近似的；但是，結(jié)晶晶粒愈小的話，其晶界存在較多而鍵結(jié)性變差，而容易地產(chǎn)生許多的懸吊鍵，進(jìn)而促使其能量轉(zhuǎn)換效率變得愈差些。,131,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,10,在2007年的產(chǎn)業(yè)報(bào)告顯示，全球多晶矽晶圓材料的生產(chǎn)廠商，有美國的Hemlock公司、德國的Wacker公司、挪威的REC (Renewable Energy Corporation) 公司、日本的Tokuyama公司、美國的MEMC公司、日本的Mitsubishi公司、以及日本的Sumitomo公司等，約佔(zhàn)全球生產(chǎn)量的95.0% 左右，而5.0% 左右則是其它較小生產(chǎn)規(guī)模的廠商所分享的。,132,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,11,5-2-1單晶矽太陽能電池基本結(jié)構(gòu)及其特性,133,圖5-4 單晶矽太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)，有一般接合型構(gòu)造、淺接合型構(gòu)造、以及背表面場型構(gòu)造等三種,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,12,134,圖5-5 光電流的產(chǎn)生是由擴(kuò)散電流以及漂移電流等兩種不同物理機(jī)制的電流所組成的,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,13,5-2-2多晶矽太陽能電池基本結(jié)構(gòu)及其特性,135,多晶矽太陽能電池的種類，有塊狀 (Bulk-Like)、薄膜狀 (Film-Like)、以及球狀 (Spherical or Ball-Like) 等三種。 在薄膜狀太陽能電池的種類方面，有單一接面式 (Single Junction)、雙重接面式 (Twin Junction)、以及多重接面式 (Multiple Junction or Multijunction) 等；其代表性的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5-6所示,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,14,135,圖5-6 單一接面式的 (a)、雙重接面式的 (b)、以及多重接面式的 (c) 結(jié)構(gòu)示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,15,塊狀的太陽能電池 (Bulk-Like Solar Cell),塊狀多晶矽材料，是以熔融的矽鑄造固化而形成的，因?yàn)槠溲u程簡單的，故成本較低的。 在矽晶圓型太陽能電池模組的成本方面，其主要的成本是來自於矽晶圓片、太陽能電池胞製程、以及太陽能電池模組組合等，其成本的比例分別地是65.0%、10.0%、以及25.0% 等，而且此一成本結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著市場需求以及新技術(shù)的開發(fā)，而產(chǎn)生相對地變化的。,136,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,16,薄膜狀的太陽能電池 (Film-Like Solar Cell),薄膜狀多晶矽材料，是以氣相或液相化學(xué)沉積方式而形成的，因?yàn)槠溲u程複雜些的，故其成本較高的。薄膜狀的多晶矽是形成於矽晶圓片、塑膠片、金屬片、或玻璃片等基板材料表面。 在薄膜狀太陽能電池的結(jié)構(gòu)上差異，而有單一接面式的、雙重接面式的、以及多重接面式的或堆疊式的等三種。多重接面式的薄膜太陽能電池，則是高光電轉(zhuǎn)換效率的堆疊式薄膜太陽能電池。,137,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,17,139,圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實(shí)體以及用於光學(xué)模擬計(jì)算的解剖體,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,18,139,圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實(shí)體以及用於光學(xué)模擬計(jì)算的解剖體,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,19,圖5-8 滴下成型設(shè)備系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,20,氫鈍化處理 (Hydrogen Passivation Treatment) :在球狀矽太陽能電池之內(nèi)，所存在缺陷 、晶界、雙晶、以及差排的分布，可以經(jīng)由射頻氫氣電漿處理，使得接面區(qū)域的懸吊鍵結(jié)失去活性化而產(chǎn)生鈍化效應(yīng)，此種方式稱之。 一般氫鈍化處理的製程條件，是1.5 Torr氣壓、125 mWatt/cm2射頻功率密度、以及400C溫度，進(jìn)行兩個(gè)小時(shí)的氫電漿化處理。,140,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,21,141,圖5-9 球狀矽太陽能電池在氫鈍化處理之前與之後，其輸出特性以及量子轉(zhuǎn)換效率,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,22,圖5-10 一般球狀矽太陽能電池的製作流程,142,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,23,5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結(jié)構(gòu)及其特性,微結(jié)晶多層接面式堆疊太陽能電池 (Micromorph Tandem Photovoltaic Module)，乃是在非晶矽 (Amorphous Silicon) 薄膜表面，堆疊不同的微結(jié)晶矽 (Microcrystalline Silicon) 薄膜，以形成兩層以上的多層接面式堆疊結(jié)構(gòu)。 此種類型的太陽能電池，具有良好的透視性、低傾斜角而高密度屋頂設(shè)置、以及建材或壁牆一體化應(yīng)用等。 一般代表性的輸出特性，最大輸出電功率是130瓦特 (Watt)，最大輸出動(dòng)作電流是1.29安培 (A)，以及最大輸出動(dòng)作電壓101伏特 (V) 等；而短路電流是1.53安培 (A)，開路電壓是131伏特 (V)，以及最大系統(tǒng)電壓是600伏特 (V) 等。,142,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,24,5-2-3多晶矽薄膜型太陽能電池基本結(jié)構(gòu)及其特性,144,圖5-11 在不同溫度 (a) 以及照射強(qiáng)度 (b) 之下，微結(jié)晶多層接面式堆疊太陽能電池的電壓 - 電流特性圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,25,144,圖5-12 並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,26,5-3-1單晶矽太陽能電池的製程技術(shù),145,圖5-13 以規(guī)則性以及週期性進(jìn)行三度空間分布地排列而成的鑽石結(jié)構(gòu),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,27,145,圖5-14 非晶矽的、多晶矽的、以及單晶矽的三種不同的結(jié)晶型態(tài),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,28,146,圖5-15 柴可夫斯基長晶法 (a) 以及浮動(dòng)帶熔融長晶法 (b),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,29,147,圖5-16 零度空間型的點(diǎn)缺陷、一度空間型的線缺陷、二度空間型的面缺陷、以及三度空間型的體缺陷,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,30,5-3-2多晶矽太陽能電池的製程技術(shù),150,矽材料的種類，可以分為冶金級的矽 (Metallurgical Grade Silicon, MGS) 以及電子級的矽 (Electronic Grade Silicon, EGS) 等兩種，冶金級的矽材料又稱之為矽金屬，其純度是98.5%；而電子級的矽材料即是半導(dǎo)體級的矽材料，具有非常高的純度材料，其純度的要求是99.9999999%；,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,31,151,圖5-17 冶金級矽材料的製程流程 - 碳熱還原製程法的示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,32,152,碳熱還原製程 (Carbothermic Reduction Process),主反應(yīng) SiO2(s) 2C(s) Si(l) 2CO(g) CO2(g) 副反應(yīng) Si(l) 1/2O2(g) SiO(g) SiO(g) 1/2O2 SiO2(s),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,33,152,在內(nèi)層高溫?zé)釁^(qū)：反應(yīng)溫度在1,9002,100C 2SiO2(l) SiC(s) 3SiO(g) CO(g) SiO (g) SiC(s) 2Si(l) CO(g) 在外層低溫冷區(qū)：反應(yīng)溫度小於1900C SiO(g) 2C SiC(s) CO(g) 2SiO(g) Si(l) SiO2(s),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,34,152,精煉製程 (Refining Process),其主要的反應(yīng)式如下： 3(SiO2) 4Al 3Si(l) 2(Al2O3) SiO2 2Ca Si(l) 2(CaO) SiO2 2Mg Si(l) 2(MgO) Si(l) O2 (SiO2),第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,35,153,鑄型壓碎製程 (Casting Scratch Process),圖5-18 西門子製程法的製作流程示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,36,154,第一階段化學(xué)反應(yīng)式 Si(s)3HClSiHCl3H2 Si(s) 4HCl SiCl4 2H2 SiCl4 H2 SiHCl3 HCl 3SiCl4 2H2Si 4SiHCl3 2SiHCl3 SiCl4 Si 2HCl,第二階段化學(xué)反應(yīng)式 2SiHCl3 SiH2Cl2 SiCl4 SiH2Cl2 Si 2HCl HSiCl3 H2 Si 3HCl HSiCl3 HCl SiCl4 H2,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,37,一般矽烷的沸點(diǎn)為12C，而其各階段的化學(xué)反應(yīng)式如下所述的： SiH4 Si2H2 3SiCl4 2H2 Si 4SiHCl3 2SiHCl3 SiH2Cl2 SiCl4 3SiH2Cl2 SiH4 2SiHCl3 SiH4 2H2 Si,155,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,38,155,圖5-19 聯(lián)合碳化物製程法的製作流程示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,39,156,圖5-20 乙西爾製程法的製作流程示意圖,第五章 單晶矽及多晶矽太陽能電池 P,40,一般四氟化矽 (SiF4) 的沸點(diǎn)為12C，而其各階段的化學(xué)反應(yīng)式如下所述的： 2H2 Na(Li) Al(Na, Li)H4 SiF4 Al(Na, Li) H4 SiH4 AlM