太陽能(Photovoltaic; PV)產業中矽晶型太陽能產品一直是市場主流，90%的市占率遠遠超越了其它種類的太陽能技術。雖然市場上仍舊有一些薄膜型太陽能產品或是超高效率的III-V族太陽能產品存在，但是由於矽晶型太陽能產品的高度技術發展，並挾帶著低成本的優勢，因此一直以來沒有任何太陽能產品能威脅到矽晶型太陽能產品的生存空間。
矽晶型太陽能市場分析
多晶矽太陽能電池早期的光電轉換效率較低，隨著電池製作技術的開發，再加上多晶矽生長技術不斷的進步，多晶矽太陽能電池的效率直追單晶矽太陽能電池。2001年多晶矽的市場開始超越了單晶矽，2015年時多晶矽的市占規模到達69%，幾乎是單晶矽市場的3倍（圖二），2016年的市場分布多晶矽佔了64%，單晶矽佔了31%，剩下的5%為CdTe、CIGS、矽薄膜以及III-V族太陽能電池。圖三為2015~2017年矽晶片(Silicon Wafer)價格的變化，高效多晶片的價格較一般多晶片略高一些，而單晶矽晶片價格通常比多晶矽晶片高約0.2美元。
多晶矽晶片製造程序
多晶矽生長方法為鑄造法，鑄造法是先將多晶矽(poly-Si)原料放在一個石英坩堝中，這個石英坩堝內壁需要事先塗上一層阻絕材料，避免熔化的矽與石英發生反應；此外石英在高溫狀態下會軟化變形，因此石英坩堝外面也同樣會套上一層石墨來作一個支撐，生長系統如圖四所示。矽原料經過加熱後熔化成液態，接著要把整個溫度控制在上熱下冷，這樣一來固體的矽就會從坩堝底部開始凝固，凝固的方向是從坩堝底部一直延伸到最頂部，等到坩堝中的矽熔湯通通變成固體後晶體就生長完畢。
圖四、多晶矽生長爐結構示意圖
多晶矽生長控制技術
多晶矽太陽能電池在轉換效率上比單晶矽太陽能電池低的主要原因是晶界的影響以及缺陷的數量（密度）。多晶矽生長技術發展迄今，大抵可分為四個時期，每個時期都大幅度的提升了晶片的品質，並讓多晶矽太陽能電池的效率有大幅度的成長，圖六為多晶矽晶片在不同時期的演進。
圖六、多晶矽晶片之演進
4. 第四代晶片(2012~Now)
第四代的晶片是近年發展出來的技術，此時研究發現多晶矽晶片最重要的影響因子為缺陷密度。缺陷的形成來自於晶體生長中熱應力的累積，如果要降低缺陷的數量就必須有效的釋放熱應力，而多晶的晶界形成其實是可以釋放熱應力，因此多晶矽在生長中並不是把電活性的晶界數量減到最少就是好的。
為了有效降低缺陷，在晶體生長矽原料填入生長坩堝前，直接先在生長坩堝底部放置一層小顆粒的矽料作為晶種，流體化床法(Fluidized Bed)所製作出直徑2~5 mm的矽顆粒適合用來鋪設在坩堝底部當作小晶種（圖十五），同樣的矽料熔化時控制好溫場不讓小顆粒矽全部熔化，接著就讓矽顆粒成為晶體生長的起點，得到的多晶矽就可以有較低的缺陷密度，製造出來的太陽能電池就可以有優異的光電轉換效率。目前全世界的多晶矽幾乎都使用這種小晶粒技術來得到特高效多晶矽晶片，而研發出這個技術的台大化工系藍崇文教授也因此在2016年榮獲國際晶體生長學會(International Organization for Crystal Growth; IOCG)最高榮譽的Laudise Prize，該獎項又稱為長晶界的諾貝爾獎，這也是台灣學者首次獲獎。
多晶矽晶片切片與蝕刻技術
多晶矽晶片早期都是使用砂漿切割的方式，近年來為了降低生產成本，鑽石線切割也開始應用在多晶矽晶片的製程上，但是仍有一些問題待解決。砂漿切割是使用碳化矽作為切削粒，切削液使用聚乙二醇來讓碳化矽切削粒可以有好的懸浮分散性，但是大量使用碳化矽與聚乙二醇造成…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：王珽玉 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期，更多資料請見下方附檔。