張瀚丞/工研院綠能所
隨著第三世界的快速工業化，能源危機和環境問題日益嚴重，因此世界各國都在積極發展「綠色能源」，而其中發展較為迅速且又有相當大進展的，應該首推太陽能產業，因此太陽能在近幾年來快速的被研究和發展。而其中晶體矽（c-Si）因為是地球上最豐富的元素之一，並且其能帶隙（Band gap）為1.12 eV，相當適合拿來產生光電效應做太陽能發電，再加上純度高、少數載子壽命長、晶界缺陷低，且容易控制電阻率，是當今主流的太陽能技術，其佔全球太陽能市場的比例大約為90％。如何提高太陽能的轉換效率始終是太陽能研究的一個關鍵問題。世界上第一個c-Si太陽能電池於1954年在美國貝爾實驗室被製造，其效率為6％。從那時起，世界各地的研究人員開始研發各種新材料、技術和設備。
對於太陽能電池來說，它的能量損失有五種機制，包括能量低於能帶隙的光子非吸收損耗、能量高於能帶隙的光子的晶格熱化損失、不完美的PN接面（PN Junction）所引起的接面電壓損失，晶圓內部缺陷引起的複合損耗，以及矽晶片和金屬電極之間的接觸電壓損失。因此，進一步改善c-Si太陽能電池的性能以及降低其成本是世界各國研究單位最主要的課題。自2012年以來，c-Si太陽能電池的轉換效率持續地不斷提升，一直到今年2019年的記錄為27.6％，如圖一所示。效率提升的原因不僅源自材料，還包括矽晶片（Si Wafers）、射極（Emitters）、鈍化層（Passivation Layers）、功能性的薄膜，以及元件結構和對太陽能電池物理特性的理解等等。然而其中最關鍵的，毫無疑問是載子選擇性鈍化接觸（Carrier Selective Passivation Contacts）。
為了改善金屬以及矽晶片接觸所產生的複合問題，近幾年來，世界各國的研究單位皆開始投入大量的心力去研究鈍化接觸材料和相對應的電池結構。目前太陽能下一個世代的趨勢，即是透過在c-Si晶片的表面上沉積載子選擇性鈍化材料，此鈍化材料通常由一非常薄的穿隧氧化層（Tunneling Oxide）搭配摻雜的多晶矽（Poly-crystalline Silicon）堆疊而成，而此結構的太陽能電池稱為穿隧型異質接面（Tunnel Oxide Passivated Contact；TOPCon）太陽能電池，其電池結構示意圖與製作流程如圖二所示。結構上，TOPCon太陽能電池晶片的受光面利用Al2O3進行受光面晶片表面的鈍化，並且利用抗反射層如SiNx等，增加晶片的光吸收，而晶片的非受光面則採用穿隧氧化層（SiO2）/多晶矽作為晶片的鈍化接觸結構，提升電池效率。而就製作流程來說，晶片先利用鹼進行金字塔的製作，接著進行選擇性射極製作。完成選擇性射極後，進行穿隧氧化層製作，一般可利用爐管或化學氧化來製作穿隧氧化層。氧化層完成後，沉積一層非晶矽或多晶矽完成鈍化接觸結構。晶片受光面沉積Al2O3做為鈍化層；SiNx為抗反射層。最後，上完金屬電極即完成TOPCon太陽能電池。
在TOPCon太陽能電池中，穿隧氧化層非常薄，大約只有一奈米，它能允許電荷載子“穿隧”通過它，但當穿隧氧化層的厚度增加時，因為載子所需穿隧的厚度增加，使得穿隧機率下降，導致填充因子（Fill Factor）下降，文獻中提到，當氧化層厚度大於1.5奈米時，填充因子會有嚴重的下降趨勢。隨後，在超薄的穿隧氧化物上再沉積薄的高摻雜之多晶矽，這兩者結合之鈍化接觸結構中多數載子可以穿透這兩層鈍化層，而少數載子則被阻擋，所以其能允許電流以幾乎為零的損耗流出電池，如圖三所示。
圖三、穿隧氧化層能帶結構示意圖
TOPCon太陽能電池於2014年由Fraunhofer ISE所提出，其背面為全面積載子選擇性鈍化接觸，因此可形成一無須開孔之鈍化接觸結構，可有助於提高---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。