矽薄膜太阳电池制程技术

矽薄膜太陽電池製程技術

由於多晶矽(Poly-Si)原料持續缺貨，使得今年矽晶圓(Si Wafer)供不應求，造成矽晶型，包含單晶(c-Si)與多晶，太陽電池的產能無法上升，並導致太陽電池用多晶矽原料大缺，價格持續狂飆，繼2007年底現貨市場每公斤報價上漲至400 美元後，近期再衝上每公斤500 美元大關的天價。最近雖然HSC 和MEMC 等多家生產Poly-Si 的原料商已開始進行擴廠，並預估2008 年第四季能舒緩多晶矽價格漲勢，但沒有人能保證到時Poly-Si 原料是否會再發生缺料的問題。目前看來，上游多晶矽原料產能開出的速度不及太陽能晶片(Cell)廠的產能擴張速度，多晶矽原料的缺料狀況預計還會維持一陣子。

矽薄膜太陽電池使用的基板可以是玻璃、不鏽鋼甚至塑膠基板，這些基板並不會有缺料的問題，而在進行Si 鍍膜所需的製程氣體為SiH4和H2，由於矽薄膜全部只需1~2 μm ，厚度僅約矽晶圓的1/100 ，製程氣體來源亦不會有缺料問題發生。除此之外，從圖一可知道，矽薄膜太陽電池在能源回收期(Energy Pay-Back Time)也占有優勢，所謂能源回收期便是製作一片太陽電池過程中所耗費的電力需此太陽電池發電多久來補回，若能源回收期愈長，等於是拿電力來換電力，並不符合環保及成本的概念。經日本Kaneka 公司統計，若要製作發電量為30MW的mc-Si 太陽電池，其能源回收期為2.2 年，矽薄膜太陽電池卻只要1.6年。Kaneka 也針對非晶矽(a-Si)薄膜、c-Si 及mc-Si 太陽電池全年發電量進行統計後發現，a-Si 薄膜太陽電池全年的發電量比c-Si太陽電池多6%（圖二）。這結果與傳統的認知有所差距。

圖一、不同太陽電池之能源回收期

圖二、不同太陽電池之整年發電量

矽薄膜太陽電池技術瓶頸

太陽電池是靠面積來累積發電量的光電元件，最後再進行玻璃封裝。圖三為製作矽薄膜太陽電池的六道製程，當完成全部製程後，此時Cell 與Cell 間藉著金屬與TCO 薄膜的相連接呈現串聯連接，可直接在玻璃上完成模組化製程，模組製程第一步為在玻璃基板上成長一層透明導電氧化物薄膜(TCO)；第二步以雷射(Laser)將TCO 薄膜剝除；第三步則以PECVD 方法於TCO 上進行Si 薄膜的連續鍍膜；第四步為以Laser 進行Si 薄膜剝除；第五步則在Si 薄膜上以PVD 方法進行金屬鍍膜；第六步則為以Laser 進行金屬薄膜剝除；最後再進行玻璃封裝就可完成一太陽電池模組。另外，美國United Solar 則是在不鏽鋼基板上進行可撓式矽薄膜太陽電池的製作，其中不鏽鋼與玻璃基板最大的差別在於製程可Roll-to-Roll ，模組大小可依客製化來設計裁切，較有彈性。

圖三、矽薄膜太陽電池模組製程

矽薄膜太陽電池中，元件與模組製程可整合在一起是其優勢，但也有其不利的地方。模組效率將受金屬與TCO 串聯電阻的大小，Cell 與Cell 連結時所損耗面積的多寡等因素影響。整體來說，模組效率將較Cell效率下降大約35% ，若a-Si 薄膜太陽電池Cell 的效率為9% 時，模組化後其效率將只剩6% 。另外，由於a-Si:H 在摻雜(Doped)時會連帶產生許多缺陷能階，使費米能階(Fermi Level)被侷限住，無法有效提高太陽電池的開路電壓，並且a-Si 薄膜太陽電池的光電轉換效率會隨著照光時間拉長而衰減(Staebler-Wronski Effect) 10~20%，這些都是矽薄膜太陽電池較劣勢的地方，也因為a-Si 薄膜太陽電池的模組效率只有6% ，若要以a-Si 薄膜太陽電池提供1kWp 的供電，占地面積就需高達16m2。反觀mc-Si 太陽電池若效率只要12% ，占地面積只需8m2就有1kWp 的發電量，面積足足少掉一半。對地窄人稠的都市，矽薄膜太陽電池的架設就非常不適宜。

而若要建一座年產能25MWp 的太陽電池工廠，設備商統計矽晶太陽電池的投資成本約5 億台幣（Cell 廠4億，模組封裝廠1 億)；而a-Si 薄膜太陽電池的投資成本就要約16 億台幣，兩者價格相差3 倍，這也是讓矽薄膜太陽電池無法快速量產的原因。

矽薄膜太陽電池的技術發展過程與趨勢

不同波段的太陽光能穿隧的深度不一，所以矽晶太陽電池發電機制主要靠著P Doped 及N Doped 薄膜吸收不同波段的太陽光以產生電子電洞，再經由擴散(Diffusion)方式產生電流（圖四(a)）。矽薄膜太陽電池主要發電機制則是靠著本質層(Intrinsic) Si薄膜吸收太陽光來產生電子及電洞，此時電子和電洞再受P Doped 與N Doped 兩層Si薄膜在Intrinsic Si 薄膜內建立之電場加速(Drift)，分別進入N Doped 及P Doped Si 薄膜，最後再經由電線導出產生電流（圖四(b)）。但單獨P Doped 或N Doped Si 薄膜的導電度並不佳且容易氧化，所以在摻雜層上再鍍一層能與Si 薄膜形成Ohmic Contact的金屬層將電子導出，是最好的辦法。

圖四、(a)矽晶太陽電池發電原理；(b)矽薄膜太陽電池發電原理

然而，考量到太陽電池需照光才能有反應，所以照光面亦可選擇導電度不錯的透明導電氧化膜(TCO)來代替金屬層。目前矽薄膜太陽電池基本可分為Superstrate 結構和Substrate結構兩種（圖五）。Superstrate 結構為在玻璃基板上鍍TCO 層後，再依序鍍P-I-N 三層Si 薄膜，最後再鍍上金屬層；此時光由玻璃端進入太陽電池內；Superstrate結構為在不透光基板上鍍金屬層後，依序鍍N-I-P 三層Si 薄膜，最後再鍍上TCO層；此時光由TCO 端進入太陽電池內。兩種結構最主要差別在於光進入矽薄膜電池中的方向，而目前玻璃上的矽薄膜太陽電池大部份採用Superstrate 結構，但Roll-to-Roll 方式製作的可撓式矽薄膜太陽電池，則偏向以Substrate 結構為主。

圖五、(a) Superstrate 結構；(b) Substrate結構(Sanyo)

矽薄膜太陽電池中目前量產的商品是a-Si 薄膜太陽電池。然而a-Si 薄膜除了有嚴重的照光穩定性問題外，a-Si 能隙為1.75~1.8eV ，只能吸收波長小於700nm 的太陽光，若大於700nm 的部分則無法吸收，但太陽光譜有很大的部份是落在700nm 以上之區域。因此為了增加光吸收範圍，以提高太陽電池的效率，串接一個能隙小的材料被認為是最佳的方式。目前United Solar便是採用a-Si 摻雜不同比例的Ge 來調變能隙，並已成功製作出初始效率超過15% 的a-Si/SiGe/SiGe 三層堆疊太陽電池結構，但此製程Ge 的比例控制不易，且GeH4氣體昂貴。另外，微晶矽(μc-Si)的能隙約為1.1 eV ，經模擬計算後，此組合將可吸收大部份的太陽光，被認為是最適合與a-Si 串聯的材料，且μc-Si 照光後不會有劣化的現象。a-Si 與μc-Si 結合之堆疊(Tandem)薄膜太陽電池結構，由於a-Si 的能隙較μc-Si 大，所以靠近光入射面的a-Si 薄膜太陽電池會先吸收短波長的光，長波長的光則會穿透，由下層μc-Si 薄膜太陽電池來吸收。因此目前矽薄膜太陽電池的研發有三項重點：1.著重於μc-Si 薄膜高品質的開發；2.大面積微晶矽高速鍍膜製程技術及設備開發；

3.透明導電膜製程及光捕集(Light Trapping)效果。

作者：詹逸民、葉昱均/工研院太陽光電科技中心