大面積模組沉積製作技術

 

刊登日期:2010/6/17
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由於能源短缺與氣候異常變遷,使得潔淨能源越來越受重視,並直接促進了太陽電池技術的發展。在眾多太陽電池技術中,矽薄膜太陽電池技術格外受矚目,其原因在於具有使用Si原料少、可與建材一體結合(BIPV)、總發電量高、Energy Pay Back時間短等優勢。同時矽薄膜製程具備大面積量產化的可行性,因此大面積量產、製作高效率、高穩定且低成本的矽薄膜太陽電池,將是此技術的研發重點。

目前矽薄膜太陽電池主流產品仍以非晶矽(Amorphous Silicon; a-Si)為主,模組(Module)效率介於5~7%。圖一為非晶矽與微晶矽太陽電池之照光劣化比較。由於微晶矽的能隙約1.12 eV,適用於太陽光譜700~1,100 nm波長的近紅外光(Near-infrared)吸收,而非晶矽薄膜僅可吸收300~750 nm波長光譜。圖二為非晶矽與微晶矽之單接面結構(p-i-n)元件對於光譜響應之差異。利用非晶矽與微晶矽的物理特性,即可有效增加太陽光譜的吸收,提高轉換效能。其方法為將非晶矽與微晶矽堆疊形成堆疊式(Tandem)薄膜太陽電池;非晶矽薄膜厚度約300 nm,先吸收短波段的光,而長波段的光繼續穿透,再由下層的μc-Si吸收,即可將全波段太陽光譜進行吸收,進而達到最高效率,目前堆疊式結構的元件穩定效率已達8~11%。相較於a-Si模組效率6~8%而言,有更高的元件穩定度與效率表現,因此開啟了高效率矽薄膜太陽電池的契機。


圖一、非晶矽與微晶矽太陽電池照光劣化能力比較

大面積鍍膜設備發展狀況
2009年碲化鎘(Cadmium Telluride; CdTe)薄膜太陽電池來勢洶洶,元件轉換效率宣稱可達10.9%,且製作成本可降至$0.85/Wp(美元/瓦),首先達到$1/Wp的Grid Parity(太陽能發電成本與傳統發電成本的比較)目標,如圖三所示。面對此競爭對手,矽薄膜太陽電池的製作成本也以降低至1 $/Wp為目標。如圖四所示,矽薄膜製作成本主要來自於設備成本分五年攤提(20%)、導電玻璃成本(19%)與元件材料成本(19%)。其中以設備成本與元件材料成本來看,由圖五可知,可藉由設備發展(如國產自製設備、高量產速率)與提升元件效率(可與CdTe相比較的10 %模組效率)來達到Grid Parity的目標。

非晶矽薄膜太陽電池
非晶矽薄膜太陽元件主要由玻璃、透明導電氧化物(TCO)、矽本質層(i Layer)、矽摻雜層(p/n Layer )和金屬電極相互堆疊而成(圖八)。矽本質層為主要光轉換層,因此本質層的穩定品質對於元件相當重要。藉由光/暗導特性比值(Photoconductivity(σph)/Dark Conductivity(σd) Ratio)來評估該材料性能。一個好的矽本質層之光導值建議大於1×10-5-1cm-1)、暗導值建議小於1×10-10-1cm-1);而光/暗導比值至少大於1×105為佳。低的暗導值代表該矽本質層在未照光的情形之下,有較低的缺陷或雜質,可使元件之堆積因子(Fill Factor)較高。

光導與暗導比值又稱為Photo-response(光響應),其值越大代表本質層經光照射後,單位體積內產生的電子−電洞對(Electron-hole Pairs)越多;暗導值越小,可使光響應值變大,表示本質層品質佳。另外,本質層的厚度亦是關鍵,本質層太薄時,則吸收的光不足,會造成元件電流太低;本質層過厚時,將使p/n摻雜層所建立的內電場變小,降低電子電洞的收集能力。


圖八、(a)非晶矽薄膜元件結構;(b)反應氣體H2/SiH4比例對效率的影響

微晶矽薄膜太陽電池特性
微晶矽薄膜成長機制如同非晶矽薄膜沉積方式,主要氣體是H2與SiH4,微晶矽薄膜成長機制同樣是經由電漿中的電子碰撞而解離SiH4/H2,電子激發再使SiH4及H2分子解離成SiH3、SiH2、SiH、Si、H2、H等物種(Species),而活性較高的物種如SiH2、SiH、Si,容易與SiH4和H2再產生二次反應,其生命週期較短,因此在穩定電漿中的密度較少(108~1010 cm-3)。而SiH3因為只有一個活性點,不易被反應掉,生命週期較長,電漿中密度較大(1011~1013 cm-3)。所以SiH3即為微晶矽薄膜主要的成膜成長物種。

目前單接面(Single Junction)微晶矽薄膜太陽電池最高轉換效率以日本Kaneka公司的10.1 ± 0.2% (Cell Area: 1.199 cm2)為最高紀錄,微晶矽厚度為2 μm。堆疊式矽薄膜太陽電池的最高轉換效率,亦由Kaneka公司的Yamamoto等人所創下,Tandem的起始(Initial) 轉換效率為14.7%、穩態轉換效率為11.7 ± 0.4% (Cell Area: 14.23 cm2)。

微晶矽薄膜沉積技術
1. The Effect of Excitation Frequency
德國IMT 使用的矽薄膜沉積技術又稱為高頻輝光放電(Very High Frequency Glow Discharge; VHF-GD)。VHF-GD不同於傳統標準的PECVD沉積技術為使用傳統13.56MHz電漿源,VHF使用電漿激發頻率(30~300 MHz)。由於電漿中的電子質量較小,加速度較離子快數百倍,會比其他物種先到達基板(Substrate)表面,使基板表面成為負偏壓而形成電漿暗區(Sheath),暗區為負偏壓會排斥負離子,而吸引正離子,因此基板附近會加速離子轟擊(Ion Bombardment)。高頻電漿沉積微晶矽薄膜,可縮短基板暗區的厚度,降低離子轟擊,減少薄膜缺陷。同時,VHF高頻電漿可提高電漿中的電子密度,增加H2與SiH4解離,產生較多的前驅物如SiH3,提高----以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文

作者:吳興華、王友志、洪凱祥、郭威廷、李炯男、潘彥妤、陳俊亨、葉峻銘、陳頤承/工研院太電中心
★本文節錄自「工業材料雜誌281、282期」,更多資料請見:
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8547

https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8619


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