穿隧型異質接面矽晶太陽電池技術簡介

 

刊登日期:2017/9/5
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目前矽晶太陽電池主要可分為兩大類:P型矽晶太陽電池與N型矽晶太陽電
池。在P型矽晶太陽電池上,主要有標準背電場(Back Surface Field; BSF)結構太陽電池與近年逐漸成為高效電池主力的射極與背面鈍化(Passivated Emitter and Rear Cell; PERC)結構太陽電池。標準背電場結構在單晶矽晶片上的太陽電池其量產上可達到19~20%的光電轉換效率;在背面鈍化結構太陽電池上,目前光電轉換效率可達到21%以上。而在N型矽晶太陽電池上主要有兩種,分別為異質接面太陽電池(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer; HIT)以及交指式背接觸式太陽電池(Interdigitated Back Contact Solar Cells; IBC),此兩種N型矽晶太陽電池皆可達到23%以上的高光電轉換效率。各式矽晶太陽電池效率發展趨勢如圖一所示。

圖一、矽晶太陽電池效率發展趨勢
圖一、矽晶太陽電池效率發展趨勢

穿隧型異質接面太陽電池技術發展介紹
太陽電池的運作原理是吸收層吸收太陽光能之後產生自由的電子-電洞對,但自由的電子-電洞會很快地復合,必須在自由的電子-電洞復合之前將其利用內電場的方式分別收集至不同極性的電極,因此各個不同結構的太陽電池會有不同電流傳導的方式,如圖二所示。如何讓金屬接觸的界面上所造成的自由電子-電洞的復合最小化,這對於太陽電池的技術提升是一個非常重要的議題。我們熟知的高效率太陽電池中的異質接面太陽電池就是一個很好的鈍化接觸結構的電池,目前世界最高轉換效率的異質接面電池為Kaneka團隊所製作,光電轉換效率為26.6%,電池結構如圖三所示。

圖三、異質接面太陽電池結構示意圖
圖三、異質接面太陽電池結構示意圖

本篇文章所介紹的穿隧型異質接面太陽電池(Tunneling Heterojunction Solar Cell)就是一個鈍化接觸的結構,如圖四所示。這技術使用一非常薄的穿隧氧化層(Tunneling Oxide)與一重摻雜的多晶矽(Poly-crystalline Silicon)薄膜的堆疊結構作為鈍化接觸。穿隧型異質接面技術結合了非晶矽異質接面高能隙的優點,擁有傑出的載子選擇性,但由於非晶矽薄膜在製程上有溫度的侷限性,在高溫的環境下薄膜品質會劣化,因此穿隧型異質接面太陽電池在鈍化接觸上選擇了傳統的多晶矽薄膜作搭配。

在穿隧型異質接面太陽電池技術方面,近幾年來有不少國際研究單位紛紛投入研究開發,像是德國的Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems(ISE)、Institute for Solar Energy Research Hamelin(ISFH)以及美國的再生能源實驗室National Renewable Energy Laboratory(NREL)等。Fraunhofer ISE研發單位近年來致力於穿隧型異質接面電池技術研究,其發展的電池結構如圖五所示。矽基板是使用阻值1 Ωcm的FZ N-type的晶片,在電池結構正面金字塔的部分是用硼擴散(Boron-diffused)的方式製作射極,阻值約為140 Ω/sq,之後在射極上沉積氧化鋁薄膜(Al2O3)作表面鈍化層以及氮化矽作為抗反射層。在電池結構背面使用氧化矽薄膜與摻雜矽薄膜的堆疊作鈍化接觸,他們稱這樣的結構為TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact)。Fraunhofer ISE發展TOPCon結構的太陽電池光電轉換效率達25.1%,開路電壓為718 mV。

近年來工研院綠能與環境研究所的矽晶實驗室團隊對於穿隧型異質接面太陽電池上的技術也有所著墨,致力於氧化矽的開發與均勻性的控制,摻雜型多晶矽結合氧化矽進行表面鈍化的技術發展,以及穿隧型異質接面太陽電池技術整合。摻雜型多晶矽結合氧化矽進行表面鈍化技術,結構如圖七所示,在拋光的矽晶片表面成長氧化矽與多晶矽薄膜,氧化物的厚度透過穿透式電子顯微鏡(TEM)分析中觀察。圖七中顯示氧化矽的厚度控制在約1.5 nm,這樣的厚度有利於載子的穿隧。另外摻雜型多晶矽結合氧化矽層表面鈍化能力上面,少數載子生命週期大於2 ms,顯示...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:蕭睿中、林昭正、葉峻銘、杜政勳 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期,更多資料請見下方附檔。


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