教育部能源科技人才培育網

                 近年來，由於非再生能源的耗竭及溫室效應等環保問題的考量，使得歐、美、日等先進國家重新制定下世代的能源政策。在新能源技術的發展中，以太陽能電力方面的研發最為各國所重視，主要的原因在於利用太陽光發電是屬於永續發展技術的一環，發電過程中無污染，對自然生態的衝擊較小，且應用廣泛，不易受到環境與地理因素的限制。目前不同國際市場中仍以矽基太陽能電池為主要應用產品，其市場佔有率超過80%，但近年來矽基太陽能電池在應用上已趨近於飽和，同時在各國的補貼政策亦大幅減少的情形下，未來如何降低矽基太陽能電池之製程成本、提高電池效率已成為太陽能產業所面臨的重大挑戰。

                 從材料的觀點來看，減少矽材料的缺陷，可以降低光吸收所產生的電子、電洞被缺陷補捉的機率，使電子電洞對能夠安全抵達電極。BSFcell及passivated emitter rear cell（PERC）都是基於上述構想所開發出來的元件結構，BSF cell主要是在電池的背面以擴散法形成一層p⁺-Si player，並藉由p-Si與p⁺-Si之間的內建電位使少數載子（電子）得以向負電極的方向移動，減少電子的複合機率。PERC則將電池背面Si表面因斷鍵所產生的缺陷進行修補，使少數載子之表面複合速度大幅下降，更進一步提昇載子的收集效率。

                 另一方面，如果於太陽能電池表面加上可以減少入射光反射、增加光吸收長度及防止光子逃離的特殊結構，亦能增加入射光子的數量，使光載子的產量增加，進而提高電池的效率。一般常用的方法為在電池的表面加入抗反射層，如antireflection（AR）coating或粗化（texturization）之表面結構，AR coating可以降低入射光反射，使入射太陽光的使用效率提高。另外在矽基太陽能電池表面製作粗化結構是目前業界主要用來減少太陽光反射的方法，製作粗化結構多採用稀釋的鹼性蝕刻液在加溫下腐蝕矽晶圓表面，利用單晶或多晶矽具有方向性蝕刻的特性，在表面產生pyramid texture的結構。特別值得一提的是，如果使用透明電極取代傳統金屬電極便可減少光遮蔽率，一般常用的透明電極材料可分為n-type的ITO、ZnO及p-type的SnO等，最早使用透明電極的電池為n⁺-ITO on p-Si hetero-junction（SHJ）solar cell，ITO薄膜以濺鍍法成長於p-Si的表面，它可以同時作為電極與單層AR coating使用，非常方便。

                 降低Si表面缺陷對載子的捕捉，可以同時提高cell的開路電壓、短路電流及填充因子。目前常用的鈍化材料主要是SiO_x、SiN,、a-Si:H及a-SiC:H等，其中以a-SiC:H的鈍化效果較差，後續將不多做敘述；SiO₂與SiN是PERC製程採用於背面及正面之鈍化層，以熱氧法所成長之SiO₂層可以提供最佳之表面鈍化特性，不過製程溫度過高（~1050^oC）、長時效UV的穩定度也不佳；SiN鈍化層通常以PECVD法成長，材料中矽含量較高，因此會對短波長的入射光產生吸收，另外Si表面鈍化的效果也與SiN材料成份結構有關，材料製程的控制是鈍化成功與否的關鍵。

                 ia-Si:H是Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer（HIT）cell所採用的鈍化層，HIT電池是目前產學界表現最成功的太陽能電池之一，ia-Si:H薄膜通常以PECVD法成長，具極佳之鈍化效果。不過a-Si:H薄膜的光吸收係數大，同時p-typea-Si材料本身的缺陷密度過高，因此造成在a-Si:H鈍化層內因光吸收而產的光電子幾乎完全損失；此外，ia-Si:H薄膜也因強電場的影響有30%的光載子contribute成generation current；最後，ia-Si:H鈍化層的材料結構受PECVD製程的成長條件影響極大，尤其是鈍化的成效與氫原子能否擴散至鈍化層與c-Si之界面關係密切，可能造成對元件特性不易掌控的缺點。

                 為了減少光損失、進一步提高SHJ電池的效率，近年來有學者提出採用PECVD成長之a-SiO_x薄膜作為鈍化層，這種方法最早可能是由T. Meuller及其團隊所提出，對crystalline Si的表面鈍化而言也能獲致極佳的效果，不論在n-type或p-type FZ-Si基板的表面成長約數nm左右厚度的a-SiO_x薄膜即可大幅延長光載子的生命期，尤其是p-type矽晶圓，生命期甚至超過14 ms，鈍化效果超越a-Si:H薄膜。此外，a-SiO_x薄膜相較於a-Si薄膜具能帶較大的優勢，因此對SHJ電池之短路電流、開路電壓都可能有更好的貢獻。不過a-SiO_x薄膜也有其缺點，首先是鈍化效果及膜厚會受到薄膜氧含量的影響，因此在製程上的控制能力甚至可能不及PECVD a-Si薄膜；尤其是在膜厚的控制上，由於a-SiO_x薄膜能帶較大，膜厚控制不佳的後果可能造成矽表面鈍化不足或電洞無法穿隧的情況。最後，在SHJ電池的鈍化製程中，不論是採用a-SiO_x:H鈍化層或ia-Si:H鈍化層，目前都是以CVD法進行備製，但CVD製程對表面崎嶇不平或有凹陷、間隙的粗化後矽晶圓而言，其覆蓋率可能有其極限，尤其是對pyramid較大、稜線較尖銳之粗化結構，因此未來我們必須考量在製程上針對上述問題提出更有效的鈍化製程方法。

                 綜言之，太陽能電池技術將有助於我們降低fossil fuel的用量，並使溫室效應減緩，但其目前的效能問題與高生產成本卻是太陽能電池技術遲遲無法普及至家庭的主因之一。若能降低其價格至消費者所能接受的合理範圍，應有助於加速推展太陽能電池技術。台灣廠商在太陽能相關領域上，從上游磊晶、中游cell製作到下游模組封裝的產業供應鏈目前已漸趨完整，如能致力於技術提昇及產品創新，必能在太陽能電池技術的發展領域中搶得一席之地。