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结晶硅 [c-Si] 太阳能模块

背景介绍
硅是地球上含量第二多的元素,且硅的能隙最适合吸收太阳能光主要的光谱分布,早在公元1954年, 美国贝尔实验室(Bell Lab)发表第一个应用P/N接面照光产生电流的太阳能电池开始,迄今硅晶太阳能电池一直是市场上的主流技术。商业化的硅晶太阳能电池可分为单晶硅与多晶硅两种。藉由扩散制程在硅芯片上形成P-N接面、再利用电浆化学气相法(PECVD)沉积抗反射层,辅以金属化制程(Metallization)产生导电电极后,即完成太阳能电池的制程。照光即可产生太阳能流;目前商业化的效率已可达14%~22%。 目前硅晶太阳能电池的技术乃朝向提高转换效率与降低芯片(wafer)厚度、节省材料成本为两大发展方向;然而,所增加的制程与设备成本,以及薄化芯片后造成的破片问题亦是未来极需克服的难题。

结晶太阳能电池

 

单晶 c-Si 太阳能电池
多晶 c-Si 太阳能电池

 

结晶硅太阳能电池的制作流程

CIGS 薄膜太阳能模块
背景介绍
薄膜太阳能电池只需极少的原料,具有轻薄、可大面积低成本制作集积型模块(图1)、并可制作在可挠性基板上等优点,被认为是当前最具发展潜力的太阳能技术。其中CIGS化合物半导体薄膜太阳能电池,实验室最高的太阳能转转换效率约为20%,产品模块效率最接近目前市场主流结晶硅水平,是薄膜技术中最高的,且没有衰退的问题,兼具低成本及高效率的优势,因此是最倍受期待的技术之一(表1)。CIGS乃是由铜、铟、镓 、硒等I-III-VI族元素所组成的化合物半导体(图2),可藉由制程过程中调整各元素组成比,以达成光吸收层广泛的能带分布,因此能够充分吸收利用太阳光频谱中的不同波长光线,达到高转换效率(图3)。目前CIGS制作技术百家争鸣,包括共蒸镀、溅镀后硒化、湿式涂布、电镀…等,吸引越来越多厂商及研究机构争相投入研发,因此近几年CIGS的技术发展与突破是可预期的。

单晶连接的制造流程

 

CIGS 复合结构

 

太阳能模块的频谱反应特征
CIGS拥有较宽的太阳光频谱响应(spectrum response),可充分利用入射阳光。

硅 [Si] 薄膜太阳能模块
背景介绍
硅薄膜太阳能电池因只需的极少的硅原料,且具有轻薄、可大面积低成本制作、与可挠曲等优点,被认为是相当具发展潜力的太阳能技术之一。

利用化学气相沉积法,可在玻璃等基板上形成仅有0.3~2μm厚度的硅薄膜。藉由薄膜沉积参数的调整或是掺杂不同元素,我们可以得到不同能带的硅薄膜材料,用以吸收不同波长的太阳光,进而达成高太阳能转换效率,目前组件初始效率已可达15%。

因为有较优良的温度效应(temperature coefficient)与弱光响应(low irradiance response),在同样的太阳电池系统建置容量下,使用硅薄膜太阳电池技术每年可以多产生10~20%的发电量,而更具有经济效益。另一方面,相较于硅晶太阳电池,在制作过程中所耗费的能源相较于硅晶太阳电池更是低许多,其能源回馈时间(Energy pay-back time)只需约1.5年,可说是真正符合环保的再生能源技术。

 

硅薄膜串联太阳能模块
藉由堆栈不同能带的硅薄膜太阳电池,即可充分利用太阳光频谱,提高组件效率,此一组件结构亦被视为具高效率硅薄膜太阳电池量产潜力的技术。

(左)双重接合面串联式电池组件结构;(右)串联式电池吸收频谱与太阳频谱的关系

 

硅薄膜太阳能电池制程
硅薄膜太阳电池模块的制程可说相当简单。在前段藉由雷射剥蚀(laser scribing)制程连结每一个硅薄膜太阳电池,使其形成串联结构,并用来提升模块电压。每一片硅薄膜太阳电池模块上面串联了数十至上百个硅薄膜太阳电池。进入后段的模块制程则是相似于硅晶太阳电池模块。


硅薄膜太阳能电池前段制造流程简图