太陽能電池材料技術 朝低成本、高光電轉換效率、高效益發展

採矽基為材料的太陽能電池，可延用矽製程設備進行擴充，減省設備投資成本。Applied Materials

太陽能是大自然中取之不盡、用之不竭的再生能源，相較現有使用主流的石化燃料來說，是更為環保的潔淨能源，使用過程也不會產生任何污染，而發展太陽能初期遭遇的問題是光電轉換效率不高、太陽能電池造價高，為了提高光電轉換率改用新製程、新方法的太陽能電池，其造價可能又更高了，造成企業、民眾導入太陽能潔淨能源卻步不前的主因...

太陽能雖然是目前相對環保、潔淨的應用能源，但太陽能光電利用領域中，因為每日的日照時間有限，加上太陽能電池必須使用到較大的空間進行設置，若要有效發揮太陽能的輔助能源用途，勢必需要針對太陽能電池板的能源轉換效率進行優化，強化單位太陽能板的光電轉換能源產出，同時，增加電池板的轉換與輸出效率，才能發揮實際的效用。

提高光電轉換率的關鍵，即在太陽能電池所使用的材料差異，因為太陽能電池的設計原理為，由太陽能板在吸收光之後所產生的物理電能轉換反應，進而生成電能，其中關鍵即在光轉換至電的機轉，會因為使用材料的差異，而會有極大的不同。

目前太陽能電池所使用的材料大致可分為矽晶太陽能電池、砷化鎵III-V化合物？硫化鎘？銅銦硒...等多元化合物電池材料、高分子材料、奈米結晶之太陽能電池...等；至於用作太陽能電池的材料也有幾大限制，一是材料本身的半導體能隙、需有較高的光電轉換效率、材料或製程必須儘可能達到低污染？高環保製造目標、電池模組需便於大量生產製造。

基於前述考量，基本上「矽」可以說是最佳的太陽能電池應用材料，隨著太陽能產業的持續研發、改善，以矽晶材料為基礎的太陽能電池技術，也相繼推出具備高光電轉換效率、高應用價值的材料整合技術。

單晶矽太陽能電池

採矽晶為主材料的太陽能電池，因為僅能吸收1.1ev的太陽光能，轉換效率有限，加上太陽光反射也同時造成更多損失，尤其是材料對於太陽光的吸收能力有限，在載子與光電轉換尚未產生前就被材料本身的問題影響。因此若要以矽晶材料發展高效率化的太陽能電池，還有相當大的改善空間，必須讓材料本身可以減少光反射、同時提高太陽光的吸收效率。

在以矽晶半導體材料為基礎的眾多太陽能電池設計方案中，單晶矽的太陽能電池材料，可以說是光電轉換效率較高的、產製與應用技術也相對較成熟的項目。高光電轉換效率的單晶矽材料方案，其具備較高光電轉換效率的關鍵在於提升單晶矽材料的品質，同時搭配材料加工與製造工藝改善材料特性。

目前高性能的單晶矽材料製造工藝已相當成熟，因應太陽能電池的製作需求，在製程中必須針對材料進行表面構化、分區參雜技術，來強化材料本身的光電轉換效能。尤其在提高光電轉換效率方面，主要是藉由將單晶矽的表面結構進行表面處理加工，例如，利用光蝕刻技術讓單晶矽表面粗糙化，藉此可以獲得更多的日照、減少光反射率，以強化或增強太陽光的吸收率，進而達到較高的電能自光能轉換而來，同時搭配氧化物、鈍化層等塗層結合，改善閘極設計結構，可以將太陽電池的光電轉換效率大幅提升至倍數的效益。

雖然單晶矽太陽能電池的光電轉換效率表現佳，但受限於製程繁瑣、成本限制較多等問題，使得單晶矽太陽能電池的材料成本較高，為了節省材料成本，使用多晶矽薄膜太陽能電池、非晶矽薄膜太陽能電池等方案，成為現在提升光電轉換效率、同時保有低成本優勢的設計方案。

多晶矽薄膜太陽能電池

一般單晶矽太陽能電池，因為是在高品質的矽基上進行製作，這類矽材料為透過提拉或澆鑄型態製作的矽錠材料上搭配切割製成，製作流程本身消耗的矽材料相對較多，導致單晶矽太陽能電池成本壓不下來。為了節省矽基材的用料，因此產出利用低成本襯底來進行多晶矽薄膜沈積製程，利用生長的矽薄膜晶粒來達到如同單晶矽太陽能電池的光電轉換效果。

早期因為製作方法不一，效果影響也相當大。目前較能達到量產效益的製程方法，為採行化學氣相沈積方法，包含利用低壓進行的化學氣相沈積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition System；LPCVD)、等離子化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System；PECVD)、液相外延(Liquid Phase Epitaxy；LPE)、噴濺沈積法...等多晶矽薄膜電池作法。

化學氣相沉積為使用SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4、SiH4作為反應氣體，製程中反應產生矽原子、沉積在已進行加熱之廉價襯底之上，低成本襯底材料多選用Si3N4、Si、SiO2等，但經過實際生產發現，製程於非矽襯底之上並不容易讓較大晶粒成形，至於成形的晶粒間也容易形成空隙，一般會先採LPCVD於襯底上產生較薄之非晶矽層後，再將非晶矽層進行退火而取得較大晶粒，再於這層進行多晶矽薄膜生成沉積較厚的材料，利用再結晶的製程方案，可讓太陽能電池有接近於單晶矽的太陽能電池轉換效率。

至於液相外延(LPE)製程方法，為將矽融熔同時降低溫度而產出矽薄膜。多晶矽材料的薄膜太陽能電池製程方案，因為製程改善了單晶矽切割容易出現的矽材料浪費問題，所使用的矽材料相對較少，再搭配為利用廉價襯底材料進行矽薄膜生長，因此製作成本遠低於單晶矽太陽能電池，同時光電轉換效率亦高於非晶矽之薄膜太陽能電池，此外光電轉換效率亦無衰退問題，未來發展可期。

非晶矽薄膜太陽能電池

至於發展太陽能潔淨能源的關鍵在於，降低成本與提高光電轉換效率，而非晶矽薄膜太陽能電池因為成本相當地低，正契合關鍵的成本壓縮需求，相當適合大規模生產。但關鍵的問題是，非晶矽薄膜太陽能電池的光學能隙為1.7ev，這表示非晶矽薄膜太陽能電池對於太陽輻射的光譜波長區塊並不敏感，導致光電轉換效率偏低，即便非晶矽薄膜太陽能電池具備極佳的成本優勢，若無法在光電轉換效率上進行改善，也無法滿足太陽能電池產品的基本要求。

此外，非晶矽薄膜太陽能電池的光電轉換效率，會隨著光照時間的拉長呈現逐步衰減的現象，這種SW Effect(光致衰退現象)使得太陽能電池的性能呈現不穩定狀態。為改善非晶矽薄膜太陽能電池的光電轉換效率、減少SW Effect影響，實際有效的設計方案即利用多層太陽能電池結構，在太陽能電池上沈積一個或多個Pin電池製程設計來改善。

利用多層太陽能電池結構，可以有效解決特定材料對於太陽輻射光譜的區域限制，利用不同光譜效益較高的材料堆疊，讓整體電池的光電轉換效率得以提升。另外，多層製法也可讓不同能隙的材料組合在一起，提升太陽輻射光譜的響應區塊。

利用多層結構的搭配，使得原先單層結構所需的輸出不用這麼大，減緩SW Effect影響，同時多層結構的光電轉換之電能產出為採行串聯輸出，也能有效提升太陽能電池的輸出能量密度。

多化合物薄膜太陽能電池

目前太陽能電池材料選擇方案相當多，除多晶矽、非晶矽薄膜外，其實還有砷化鎵III-V族化合物、銅錮硒薄膜、硫化鎘、硫化鎘電池等。硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池在使用時的光電轉換效率，較非晶矽薄膜太陽能電池效率高，同時產製成本亦較單晶矽電池為低，利於大規模生產。但由於發展潔淨能源的關鍵在於製程需要符合「環保」要求，而硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池製程會用到的「鎘」為劇毒物質，將會對環境造成嚴重的污染，並不是理想的太陽能電池產製方案。

至於砷化鎵III-V化合物、銅銦硒薄膜電池在材料上具備較高的光電轉換效率，GaAs為III-V族化合物半導體材料能隙1.4ev，具高光電轉換效率特性，亦為太陽能電池相當受到矚目的應用材料。

另銅銦硒CuInSe2(簡稱CIS)材料能隙為1.1ev，CIS薄膜太陽電池無SW Effect問題，製造主要利用真空蒸鍍法、硒化法，CIS薄膜電池早期發展時光電轉換效率並不高，近期有逐步提升研發成果，光電轉換效能已相當於多晶矽太陽能電池。銅銦硒CIS材料在用於太陽能電池產品時，具備價格低、性能佳、製程簡單等優點，但問題是硒為較稀有的元素，又可能影響終端製品的成本問題。