張瀚丞、龔柏誠、林峻平、陳松裕、郭明村、林福銘 / 工研院綠能所
隨著全球氣候變遷的威脅日益增加，各國紛紛提出「2050淨零排放」的目標。為了達到這一目標，太陽光電在減少溫室氣體排放方面扮演著重要的角色。太陽光電產業鏈包括上游的原材料生產、中游的太陽電池與模組封裝，以及下游的零組件與系統工程。在本文中，我們將聚焦於目前市場上主流的矽晶太陽電池技術，對幾種不同類型的矽晶太陽電池，包括Al-BSF、PERC、TOPCon、HJT和IBC太陽電池的原理、結構、製程及轉換效率等做整理及介紹。
【內文精選】
前 言
目前全球太陽光電市場中，矽晶太陽電池占比達95%以上，為市場主流。主要原因有三：①矽晶太陽電池是目前工業化生產效率最高的太陽電池類型，單晶矽太陽電池的實驗室效率可達26%以上，多晶矽太陽電池可達22%。長期來看，矽晶太陽電池更具成本效益，可節省更多的土地使用面積。②矽的含量豐富，為地球含量第二多的元素，成本較其他材料更具競爭力，且特性穩定、無毒。再加上近年來，矽晶太陽電池已有成熟、標準化的供應鏈，使其量產成本大幅降低，無論是技術或市場，都比起其他材料更來得成熟穩定。③矽晶太陽電池壽命長達25年以上，長期攤提可降低每度電均化成本。基於上述優勢，使矽晶太陽電池成為目前太陽光電市場的主流產品。
根據晶片類型，矽晶太陽電池可分為使用硼(或鎵)摻雜和磷摻雜之矽晶片所製作的P型和N型電池兩類。P型電池包括傳統的鋁背表面場(Aluminum-Back Surface Field; Al-BSF)太陽電池以及鈍化射極與背面(Passivated Emitter and Rear Cell; PERC)太陽電池。而目前N型電池的主流技術有穿隧氧化鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact; TOPCon)、異質接面(Heterojunction; HJT)以及交指式背接觸(Interdigital Back Contact; IBC)太陽電池。
TOPCon太陽電池
TOPCon是一種基於選擇性載子原理的技術，概念由德國Fraunhofer ISE研究單位於2013年提出。其電池結構主要是以N型晶片為基板的太陽電池，正面結構與n-PERT太陽能電池沒有太大差異，為普通金字塔織化、硼擴散、ALD氧化鋁與PECVD氮化矽的疊層結構，達到鈍化和抗反射效果。核心技術為在電池背面製備一層超薄穿隧氧化矽，然後再沉積一層摻雜磷的多晶矽薄膜，二者共同形成鈍化接觸結構。
由於穿隧氧化矽層非常薄， 僅1~2 nm，其與矽晶功函數的差異造成能帶彎曲，雖不會阻礙多數載子的傳輸，但會阻礙少數載子達到介面，進而降低載子間的復合，如圖十所示。但德國ISFH研究單位發現，由於穿隧氧化矽層非常薄，在製備過程中容易生成孔洞，載子通過穿隧氧化矽層傳導是量子穿隧效應，但其也可以通過孔洞直接穿過。
圖十、穿隧氧化層能帶結構示意圖
IBC太陽電池
1987年，Lammert和Schartz首次提出了交指式背接觸太陽電池的結構概念。圖十二為IBC太陽電池的截面和電極布局示意圖。IBC太陽電池具有以下幾個特點：首先，它採用了無正面電極的設計，這不僅可以消除傳統太陽電池不可避免的電極遮光所造成的光學損失，還可以通過製程改進來優化受光面的鈍化效果；其次，正負電極皆位於電池背面，這種電極布局帶來了兩個優勢：一是可以通過優化電極比例來獲得最佳的電學特性和鈍化效果，二是在模組封裝階段，由於正負電極位於同一側，焊接程序相較於傳統電池更容易，並可拉近電池片間距而提升模組效率。
圖十二、IBC電池之(a)截面圖示；(b)電極布局
HJT太陽電池
HJT太陽電池將同質PN接面轉變為異質接面，具備良好的雙面對稱特性。異質接面太陽電池，也被稱為HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)太陽電池，全稱為本質薄膜異質接面太陽電池。這種異質接面太陽電池最早由日本的三洋(Sanyo)公司於1990年成功研發，並獲得HIT®商標註冊。後來，為避免專利糾紛，其他進入異質接面技術領域的公司採用了不同的術語，如HJT和SHJ等等。在2014年，於2009年合併Sanyo的Panasonic推升HIT太陽電池(143.7 cm2)達到了25.6%的效率，其擁有極高的開路電壓和填充因子，分別達到了740 mV和83%。採用N型單晶矽晶片的HJT電池具有雙面對稱結構，正面依次為透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide; TCO)薄膜、P型非晶矽薄膜和本質氫化非晶矽薄膜；背面依次為TCO、N型非晶矽薄膜和本質氫化非晶矽薄膜；最後使用網版印刷採低溫形成雙面電極 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》441期，更多資料請見下方附檔。