魏松煙1、孫文檠1、吳儁夔2、Mike F. Barker3
1工研院材化所、2台灣杜邦（股）公司、3杜邦株式會社
「材料是關鍵」，在2014杜邦太陽能材料與技術研討會場中，隨處可見此標語，杜邦公司即以此做為技術發展之重點及總結，針對太陽能電池技術走向及p型高效電池技術等議題，發表材料開發之成果及進程。除重點發表新穎材料技術外，議程同時涵括太陽能政策剖析、市場趨勢、大型電站戶外實證研究、模組測試標準、模組邊框解決方案以及各種模組失效分析，研討會期程雖僅短短一天，內容即廣泛涵蓋太陽能產業發展趨勢及關鍵技術問題，令與會者除開展視野外，同時也獲得寶貴技術涵養。
未來五年太陽能電池技術的走向
杜邦公司（DuPont Taiwan）引用 ITRPV（International Technology Roadmap for Photovoltaic）在2014年對於太陽能電池結構以及 p型及 n型晶片使用之發展趨勢圖（圖一），說明下一階段 PERC（Passivated Emitter Rear Cell）結構電池將逐漸取代目前主流之 BSF（Back Surface Field）全背電極電池，而 HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin Layer）及Rear Contact Cells（包含Interdigitated Back Contact; IBC及Metal Wrap Through; MWT系列結構等）將快速發展，其中n型晶片之使用將為高效率電池結構發展之關鍵。
圖一、各類結構及p、n型電池之產出預估趨勢
杜邦公司數十年來， 在搭配電池結構上，致力於發展出各種功效之漿料以配合電池之演進，從傳統電池所使用的正面銀漿杜邦TMSolamet ® PV14x系列起，到高效電池使用的 Solamet ®PV15x、Solamet ®PV16x，搭配 i-PERC所使用之 Solamet ®PV36x1 背面鋁漿、Solamet ®PV56x背面銀漿以及近年為 MWT結構所開發之 Solame t®PV70x填孔用銀漿等，今年則在技術研討會上發表為高效LDE（Lightly Doped Emitter）結構元件所開發之Solamet ®PV17x、18x 等漿料，及為 n型電池如雙面電池（Bi-Facial）所開發之Solamet ® PV3Nx 及適用於IBC結構的導電漿料解決方案，以供下世代新穎結構、電池參數設計之實現使用。
p型電池
1.全背式BSF電池技術發展
傳統型全背 BSF 電池以原有之 Solamet ® PV16x 系列產品，演進至 Solamet ® PV17x 以及 PV18x 漿料，網版改良後開孔由 80μm 降至 35μm，搭配改良之漿料，膠料印重可由 0.22 克降至 0.11克，與 LDE形成良好之接觸特性以維持高填充因子（Fill Factor; F.F）。新一代的 Solamet ® PV18J 漿料改善載體特性，與現行漿料相比之下具有極佳之高寬比特性，如圖二所示。可使網印線寬更窄，窄線寬則可使導線數目增加，提升光電流收集之效率。Solamet ® PV18J 在 LDE 元件應用上與 LDE 具有良好之接觸特性，使 F.F值在 LDE之高阻抗特性下仍得以維持，使 LDE元件轉換效率得以提升。
針對p型電池之金屬化製程，杜邦公司由早期提供高摻雜射極所使用之 Solamet ® PV16x系列發展至提供 LDE使用之 Solamet ® PV17x系列漿料，現階段為提供增強型 LDE（Enhanced LDE; EnLDE）之金屬化製程使用，演進開發 Solamet ®PV18x系列之漿料，其目標皆為發展創新化學技術以改善 EnLDE 區域之金屬接觸特性，使元件 Voc及效率可進一步提升。LDE為 p型電池提高效率之一項關鍵設計，利用降低射極中之磷摻雜濃度，可使晶片表面大幅度減少缺陷態、降低光生載子複合機會，減少晶片表面因能帶窄化（Bandgap Narrowing）所造成的多餘光子吸收效應，提升藍光區的內部量子效率，提升 Jsc 及 Voc 來增進轉換效率。但 LDE之使用則使得晶片表面之阻抗大幅提升，金屬電極不易與晶片表面矽層形成良好之歐姆接觸，以至於大幅降低導電性。
基於杜邦公司的 Tellurium 專利技術以提升金屬漿料之特性，杜邦公司前期針對 LDE 開發 Solamet ® PV17x 系列漿料，LDE之歐姆接觸特性已有大幅改善，該技術主要在漿料當中加入 0.5~15 wt% 之鉛碲氧化物粉體粒子，其中碲及鉛之比例調控在 5/95~95/5 之間，粒徑約為 0.1~3 μm，藉以使金屬漿料可在低溫即達成絕緣層（如 SiNx、TiO2 或 SiO2等光學或鈍化薄膜）之穿刺以及燒結，提升電極接觸電導性以及黏著性，達成提高元件效率之目標。以杜邦公司的 Tellurium Technology（碲技術）專利技術為主軸發展的 Solamet ®PV17x、PV18x系列漿料，經由各大電池廠在擴散最佳化之條件下進行測試，與傳統漿料比對，在 LDE上平均可獲得 0.5%之效率增益，目前以達到 22%之元件效率為 2015年之目標。
在 Solamet ® PV18x系列中，近期發展之 Solamet ® PV18J 漿料具有改良之細線網印性、耗量減少及極佳之黏著特性，使模組信賴性提升。Solamet ® PV18J 漿料具有良好之細線網印性，在 35μm線寬下可提升超過 45%之高深寬比（圖二），導電性表現亦顯著提升，其優良之導電性隨著線寬縮減而與現行漿料愈趨明顯（圖三），在傳導特性上表現優越。而此 Solamet ® PV18J 漿料透墨性佳，網印不易產生斷線問題，而由 EL（Electroluminescence）缺陷分析可知（圖四），網印 Solamet ® PV18J 漿料在晶片上並未對晶片造成顯著之缺陷。杜邦公司以 Solamet ® PV18J 漿料進行n型電池驗證，搭配高片電阻射極以及細線印刷技術，可獲得超過 0.15%之效率增益，除此之外，Solamet ® PV18J 應用於 LDE上，相較於高摻雜射極元件，可使 CTM（Cell-To-Module）損失保持穩定，不造成額外之功率損失。
圖二、35μm細線印刷製程中 PV18J 漿料與現行漿料之導線形態分析
圖三、Solamet ® PV18x 漿料與現行漿料之電阻值對線寬比較圖
圖四、Solamet ® PV18J 漿料之EL Defect Mapping分析影像
Solamet ® PV18J 在網印漿料耗量表現上亦有顯著提升，在 35μm之細線網印製程中，即便增加導線數目，仍可節省約 30%之耗量，降低使用之成本。除此之外，黏著度上表現亦十分優越，在 7~8μm厚度之網印細線上仍具有超過 2 Nt 之抗拉力表現，使模組具有更高之信賴性。Solamet ® PV18J 搭配 LDE及細線網印技術可提供超過 0.15% 之效率增益，即提供額外約 2.2 Wp 之功率輸出，同時節省耗量並以極佳之黏著性增加模組信賴性，為元件金屬化製程中之優良選擇。
2.局部背電場電池 PERC
PERC結構太陽能電池具有穩定、高效之特性，商業化製程成熟，目前逐漸取代全面 BSF 結構電池，成為下一世代之電池主流結構（圖五）。在 i-PERC Cell 部份，杜邦公司發展正面銀漿 Solamet ® PV18x 系列以及背面鋁漿 Solamet ® PV36x、背面銀漿Solamet ® PV56x 系列供正背面金屬化製程使用，i-PERC Cell 主要具有低載子表面複合速率、高內部反射率以及較高的 Voc、Jsc 以及元件效率等優點，由於背鋁膠與矽晶片接觸面積小，故漿料與元件背面之接著性為一大挑戰，杜邦公司藉由創新研究漿料中玻璃質及鋁粉之技術，改善了 Solamet ® PV36x 鋁漿與 SiNx 之黏著性，與現行漿料粘著特性之比較如圖六，提供良好的 Bonding Force，同時也提升選擇性 BSF 區域中漿料與晶片之接觸特性（圖七），Solamet ® PV36x 改善選擇性 BSF 形成區域中，因擴散效應所造成之孔洞問題，提高接觸傳導特性，減少電極剝落機會及 Kirk Effect 之發生。
除 Solamet ® PV36x 外，Solamet ® PV56x 背面銀導電漿料改善玻璃質部分，除了可使 Bonding Force 及黏著性等特性提升外，同時可提升元件之長效可靠性，由LBIC測試分析可知（圖八），相較於現行使用之漿料，網印 Solamet ® PV56x 系列晶片具有較低之鈍化損傷以及均勻性，使元件穩定性更佳。PERC 結構元件之正背面鈍化層為達到高效率之關鍵，目前多使用 PECVD 或 ALD 進行鈍化層之沉積，並須使用雷射開孔技術，因此使得電池發電成本較高，而元件長效可靠性亦仍須進一步提升。
圖五、PERC太陽能電池結構
圖六、網印 PV36x 膠料與參考膠料之電池影像，提供膠料與SiNx薄膜黏著特性之參考
圖七、開孔處Solamet ® PV36x 與參考漿料之BSF形成區域SEM截面分析影像
圖八、Solamet ® PV56x 與現行膠料之LBIC Mapping分析影像
n 型電池
n 型晶片具有幾項極佳的優勢，首先，因n型晶片之少數載子為電洞，因此晶片對雜質濃度的耐受度較高。再者，n型摻雜晶片中不具有高濃度之硼原子，因此不會有因硼-氧鍵結所造成的光致衰減（Light Inuced Degradation; LID）問題，最後，多數載子電洞則具有較佳之擴散距離及較高的載子生命期。
n型晶片可供雙面電池結構使用（圖九），其雙面結構因可由背面進光，因此可多提供約 20~30%之輸出功率增益，目前此類元件最高約具有 21.3%之元件轉換效率。以網印法製備金屬電極而言，杜邦公司在雙面電池正面開發銀鋁漿系統，以漿料參數設計來降低銀鋁漿在晶片正面之接觸電阻及導線電阻值，控制降低逆向飽和電流 J0,m 值為元件獲得高 Voc 之重要參數，Solamet ® PVD2x 及 PV61B 漿料之設計即為降低 Busbars下方之 J0,m 值，而 Solamet ® PV3Nx 之設計則可降低 Finger下方之 J0,m 值，控制降低逆向飽和電流 J0,m值為獲得高 Voc之重要參數，除此之外，因鋁顆粒大小遠大於銀，因此需以調控銀、鋁比例方式達成 45 μm之細線印刷。
相較前一代之 Solamet ®PV3N1、PV3N2 銀鋁漿料之開發將接觸電阻提升約 30%（圖十），此較佳之接觸特性可提供製程較廣之擴散及燒結製程窗，而藉由有機載體之修飾使 Solamet ®PV3N2 具有 <45 μm之細線網印性，此特性提供更具彈性之金屬化製程之選擇，如雙重網印製程等（圖十一）。雖然杜邦公司在銀鋁膠之發展上有良好之提升，但其特性表現仍較 p型電池中之標準電阻值為高，n型晶片之網印金屬化技術，仍有進一步提升之空間。
圖九、雙面太陽能電池結構圖
圖十 Solamet® PV3N1及 PV3N2在不同阻抗射極條件下之接觸電阻比較
圖十一、Solamet® PV3N2細線印刷及雙重印刷之 Mapping分析影像
除雙面電池外，n型晶片亦常為 IBC電池所使用，其電池結構具有 n型區及 p型區在晶片同一側之特性，即單面金屬化之特色（圖十二）。現有製程技術為兩道式網印系統，p型及 n型區分別使用 Solamet ® PV3N1 以及 Solamet ®PV18x系列漿料進行網印，兩次網印完成後，進行燒結穿刺及高溫燒結之製程。杜邦公司此階段針對一次性網印製程開發 n型及 p型區皆可使用之金屬漿料，可節省一道網印製程，並無須使用燒結穿刺，但網印金屬漿料前須搭配一道雷射或蝕刻開孔製程，將鈍化層 / 光學層開孔，使網印之金屬漿料可膠處擴散區表面，網印完成最後再以低溫進行燒結。
圖十二、IBC太陽能電池結構圖
相較於傳統兩道網印式系統而言，一道式網印系統除了可減少一道網印製程外，其電極寬度可大幅增加，其限制為小於 p型區及 n型區之間距即可，寬電極之使用可使導線電阻值有效降低，讓電極厚度可小於 10μm，而鈍化層區域則可不受電極穿刺製程影響造成鈍化面積損失，目前此一道式網印系統正進行更多之測試以驗證其功效，其電極端結構與兩道式網印系統之比較可如圖十三所示。無論是一道式或兩道式網印系統，在 n型 IBC 結構元件應用上，金屬漿料之接觸介面特性及導電性皆須進一步提升，以達到提升功效及降低成本。
圖十三、網印前、兩道式網印系統及一道式網印系統之表面示意圖
表一、兩道式網印系統及一道式網印系統之製程比較
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