太陽能電池的製程 - 社會議題

By Kelly
at 2006-12-26T00:00

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麻煩各位大哥
跟我講解一下多結晶矽太陽能電池的製程
還有非結晶矽太陽能電池的製程吧!!
報告用的只缺製程這部份了
謝了

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By Charlie
at 2006-12-26T21:13

太陽電池是一種把太陽的輻射能量轉換成電能的器件。太陽電池發電是一種可再生的綠色發電方式，發電過程中不會產生二氧化碳等有害氣體，不會對環境造成污染。按照製作材料分為矽基半導體電池、染料敏電池、有機材料電池等。對於太陽電池來說最重要的參數是轉換效率，目前矽基太陽能電池中的單晶矽電池的最高轉換效率（實驗室）為29%，多晶矽電池為24%，非晶矽為17%。
【矽晶圓太陽能電池】
自1954年貝爾實驗室發表了具備6﹪光電效率的電池後，隨著積體電路的發展，此類型一直是市場的主角，其市佔率從未低於80﹪，如果只考慮供電超過超過1kW的市場，更幾乎是100﹪。究其原因大概可分為三方面：一、成本與價格；二、模組的效率；三、產能規模與利用率。
由於科技的進步，包括了晶圓厚度、切割技術、晶圓尺寸，以及晶圓價格，均有長足的改善，自1960s以來，以此類電池發電，單位瓦數（watt）成本已下降約50倍，目前價格約為US＄2.5 ~ 3 / watt。依據美國國家再生能源實驗室的報導，薄膜太陽能電池的製造成本在過去10年亦呈大幅下降，趨勢比矽晶圓還快，不過至今一般而言，其價格仍約高於矽晶圓式50﹪。
矽晶圓單一電池系統目前實驗室光電效率已達25﹪，與理論值29﹪非常接近。商業化產品的光電效率自1970s以來也有長足進步，近年以達約12﹪。這項技術成果，相對而言，是多數薄膜技術所不及之處。
生產成本往往深受生產規模影響，太陽電池也不例外。比較矽晶圓式與薄膜式，一般而言，目前產能規模前者約是後者10倍，因此固定成本可大幅分攤。其次是產能利用率而言，目前矽晶圓式生產廠商，由於這幾年市場年年大幅成長，平均產能利用率約達80﹪，而薄膜式廠商僅約40﹪。這使得矽晶圓式更具生產成本競爭力，成為市場上的一支獨秀。
【非晶系矽太陽能電池】Amorphous silicon solar cell
此類型光電池是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為p-i-n（或n-i-p）偶及型式，p層跟n層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。由於非晶系矽具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2 ~ 0.5μm。其吸光頻率範圍約1.1 ~ 1.7eV，不同於晶圓矽的1.1eV，非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度低，因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極高，為必免此現象發生，I層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電池長採多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸光與光電效率。
這類型光電池先天上最大的缺失在於光照使用後短時間內性能的大幅衰退，也就是所謂的SWE效應，其幅度約15 ~ 35﹪。發生原因是因為材料中部份未飽和矽原子，因光照射，發生結構變化之故。前述多層堆疊方式，亦成為彌補SWE效應的一個方式。
[非晶型矽光電池]的製造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）製造矽薄膜。基材可以使用大面積具彈性而便宜材質，比如不銹鋼、塑膠材料等。其製程採取roll-to-roll的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高品質導電玻璃層價格高，以至其總製造成本僅略低於晶型太陽能電池。至於多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了電池成本。綜合言之，在價格上不太具競爭優勢的前提下，此類型光電池年產量再過去三年仍呈現快速成長，2003年相較於2002年成長了113﹪，預期此趨勢將持續下去。
為了降低製造成本，近年有人開發已VHF電漿進行製膜，製程速度可提升5倍，同時以ZnO取代SnO2作為導電玻璃材料，以降TCO成本，預計未來製程順利開發成功，將可使非晶型矽光電池競爭力大幅提高。展望未來此型光電池最大的弱點在於其低光電轉化效率。目前此型光電池效率，實驗室僅及約13.5﹪，商業模組亦僅4 ~ 8﹪，而且似乎為來改善的空間，可能相當有限。
【鎘碲薄膜太陽能電池】Cadmium Telluride Thin Film Photovoltaics，CdTe
此類型薄膜光電池在薄膜式光電池中歷史最久，也是被密集探討的一種之一。再1982年時Kodak首先做出光電效率超過10﹪的此類型光電池，目前實驗室達成最高的光電效率是16.5﹪，由美國NREL實驗室完成，其作法是將已建立多年的電池構造，在進一步增量修改，並改變部分材質。
典型的CdTe光電池結構的主體是由約2μm層的P-type CdTe層與後僅0.1μm的n-type CdS形成，光子吸收層主要發生於CdTe層，西光效率細數大於105㎝-1，因此僅數微米厚及可吸收大於90﹪的光子。CdS層的上沿先接合TCO，再連接基材，CdTe上沿則接合背板，以形成一個光電池架構。目前已知為製備高光電效率CdTe光電池，不論電池結構如何，均需要使用氯化鎘活化半導體層，方法上可採濕式或乾式蒸氣法。乾式法較為工業界所採用。

By Enid
at 2006-12-26T04:48

希望以下資料幫到你
http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.as...
太陽能電池的材料
太陽能電池的發電能源來自太陽光，而太陽輻射的光譜主要是以可見光為中心，波長從 0.3 微米的紫外光到數微米的紅外光是主要的分布範圍。如果換算成光子的能量，則大約在 0.3 到 4 電子伏特之間，因此能隙大小在這個範圍內的材料，像矽材，會具有比較好的光電轉換效率。
矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽 3 大類。在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列。目前，成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法，把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上拉引做成矽晶柱，然後再把晶柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。
至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成。而非晶矽則是指整個材料中，只在幾個原子或分子的範圍內，原子的排列具有周期性，甚至在有些材料中，根本沒有周期性的原子排列結構。它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，用不同的材料設計出太陽能電池時，它們的光電特性也會有所不同。
一般來說，單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，使用年限也比較長，比較適合於發電廠或交通照明號誌等場所的使用。世界上，生產太陽能電池的主要大廠，例如德國的西門子及日本的夏普公司，都以生產這類型的單晶矽太陽能電池為主。
至於多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在切割和再加工的手續上，比單晶和非晶矽更困難，效率方面也比單晶矽太陽能電池的低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色。所以，在部分低功率的電力應用系統上，便採用這類型的太陽能電池。對於非晶矽的太陽能電池來說，由於價格最便宜，生產速度也最快，所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上，而且新的應用也在不斷地研發中。
太陽能電池除了可以選用矽材料外，還可以採用其他的材料來製作，例如碲化鎘、砷化鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材料，也可以製作高效率的太陽能電池。但是，因為這些材料的成本比較高，製成的元件只適用在一些比較特殊的應用上。
光電轉換原理
讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池，來說明太陽能電池的光起電力原理。首先由材料方面談起，矽是現在各種半導體產業中最重要，而且使用最廣泛的電子材料。它的來源是矽砂（二氧化矽），原料取得很容易，成本也比較低。
在元素周期表裡，矽的原子序是 14，晶體是鑽石結構，屬於第 IV 族元素。所謂的第 IV 族元素，是指在它的外層電子軌域上，有 4 個電子環繞原子核運行，而這 4 個電子又稱為價電子。每個矽的 4 個外層電子，分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成對，形成共價鍵。
N 型半導體：如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子，例如磷原子，這個雜質原子會取代矽原子的位置。但是，當擁有 5 個價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候，會多出 1 個自由電子，這個自由電子是一個帶負電的載子。我們把這個提供自由電子的雜質原子稱為施體，而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體。
P 型半導體：同樣地，如果在純矽中摻入三價的原子，例如硼原子，這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置。但因為硼原子只可以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵，因此會在硼原子的周圍產生 1 個空缺，這個空缺就被稱作電洞，這電洞可以當成一個帶正電的載子。通常，我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體，同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體。
當 P 型及 N 型半導體互相接觸時，N 型半導體內的電子會湧入 P 型半導體中，以填補其內的電洞。在 P-N 接面附近，因電子－電洞的結合形成一個載子空乏區，而 P 型及 N 型半導體中也因而分別帶有負、正電荷，因此形成一個內建電場。當太陽光照射到這 P-N 結構時，P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電洞對。由於空乏區所提供的內建電場，可以讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此若經由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池。

太陽能電池的製程 - 社會議題

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