龔柏誠、張瀚丞、許世朋、郭明村、黃崇傑、羅俊傑、温雅評、林福銘／工研院綠能所
為了改善太陽能電池中載子在金屬及矽晶片接觸接面的復合問題，在兩者的介面處插入適當的鈍化材料可以提升太陽能電池的光電轉換效率。搭配穿隧氧化層與多晶矽所形成的新穎結構即為穿隧氧化鈍化接觸，穿隧氧化層可以提升元件的開路電壓，而多晶矽薄膜可提供優良接觸功能，且在高溫環境下有著更好的穩定性，適合搭配網印金屬燒結製程。在與網印金屬製程整合中，多晶矽扮演了相當重要的角色。我們利用低壓化學氣相沉積系統沉積高品質的多晶矽薄膜，並配合銀漿製作正/背面電極製程優化，最佳化條件可獲得平均轉換效率最佳達23.2%。
【內文精選】
前 言
人們對於能源的需求不斷增加，全球暖化的必然問題也有增無減，而能源的短缺是目前我們亟需解決的問題。在高度的經濟發展及社會進步過程中所附帶的能源消耗，是助長二氧化碳排放量增加的元兇，除非我們減低導致全球暖化的溫室氣體排放量，否則全球的平均氣溫在本世紀末將上升3~9˚C。近幾年台灣的氣候愈發趨向於極端，亦是受到全球暖化的影響。因此，發展再生能源是全球各國的主軸，如圖一所示。以台灣來說，目前又以太陽光電的推廣度最佳。
圖一、全球能源使用量及其組成展望圖
矽是地球上最豐富的元素之一，並且其能帶隙(Band Gap)為1.12 eV，相當適合以光電效應(Photovoltaic Effect)原理做太陽能發電，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。但是傳統的背面表面電場(Back Surface Field; BSF)電池以及目前主流的鈍化射極背接觸(Passivated Emitter and Rear Contact; PERC)電池，其效率都會受到矽晶圓與金屬電極介面間常見的載子復合效應影響。為了提升太陽能電池的轉換效率，如何降低介面處所造成的復合效應是很重要的一個課題。
目前太陽能電池下一個世代的趨勢，即是透過在晶體矽(c-Si)晶片的表面上沉積載子選擇性鈍化(Carrier Selective Passivation)材料。研究指出，在金屬層與矽晶圓間加入適當的鈍化層可以有效降低載子在介面處的復合效應，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(Passivating Contact)材料和相對應的電池結構。鈍化的主要目的是為了減少載子在表面（或是介面）處復合的速率，亦即提高少數載子(Minority Carrier)壽命。近十年來，Al2O3以其利基特性被導入太陽能電池業界當作鈍化層，Al2O3中鋁原子存在兩種配位方式：6個氧原子的八面體中心位置和4個氧原子的四面體中心位置，經過高溫熱處理過程，八面體結構會轉換為四面體結構，產生間隙態氧原子，間隙態氧原子奪取p型矽中的價態電子，形成固定負電荷，使Al2O3薄膜顯出負電性，在Al2O3/Si介面產生一個指向矽晶片內部的介面電場，使載子可迅速逃離介面，降低介面復合速率，提高少數載子的壽命。
TOPCon是Tunnel Oxide Passivated Contact（穿隧氧化層鈍化接觸）的縮寫，在高效率太陽能電池結構裡沉積載子選擇性鈍化材料，而此材料組合是由一非常薄的穿隧氧化層(Tunneling Oxide)，再搭配主要為接觸功能摻雜的多晶矽(Poly-crystalline Silicon)堆疊而成，而擁有此結構的太陽能電池屬於具有穿隧效應的新型異質接面太陽能電池。TOPCon太陽能電池大多是採用n型矽晶片來製作，其中穿隧氧化層非常薄，大約只有1奈米，它能允許電荷載子「穿隧」通過它，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，導致太陽能電池的填充因子(Fill Factor; FF)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，對於後續網印(Screen Printing)金屬電極所需的高溫製程，多晶矽薄膜相較於非晶矽薄膜在高溫環境下有著更好的穩定性。這兩者結合之鈍化接觸結構中多數載子（以n型而言為電子）可以輕易穿透這鈍化層，而少數載子（以n型而言為電洞）則因為相對較高的能障而被阻擋，所以造成載子選擇性效應，此進一步減少電子-電洞在矽晶圓表面的異質接面處復合問題，使得產生的光電流以幾乎為零損耗的情況流出電池，如圖二所示。為了達到更高電池轉換效率(>24%)，抑制正面以及背面晶體矽(c-Si)表面的電子-電洞復合，以及將電池開路電壓(Open Circuit Voltage; Voc)提升到700 mV，使用多晶矽(poly-Si)的鈍化接觸為一種有效的方式，因為將多晶矽鈍化接觸引入大規模太陽能電池製造需要進行網印回火燒結處理，鈍化接觸經處理熱後仍是穩定的。
TOPCon電池製作
工研院成功利用LPCVD系統沉積出高品質的多晶矽薄膜，iVoc為720 mV、J0為10fA/cm2，並將其整合於元件之中。在製作元件正/背面的電極前，我們先模擬計算獲得Finger最佳數量設計，再採用不同的銀漿來進行網印製程，之後再配合最佳化的燒結條件實驗及電池效率量測。電池結構如圖四，使用…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、TOPCon太陽能電池元件結構示意圖