學習資源搜尋

電漿分析技術應用於異質接面太陽能電池研究

2020-11-10

卓昀劭 助理研究員

大葉大學產學中心


太陽電池主要分類如圖1,分別為四大類包含:矽晶類、化合物類、薄膜類、化合物薄膜類,目前最普及並且產量最大的是矽晶類的單晶(Monocrystal) 、多晶(Polysilicon)太陽能電池,目前台灣為世界第二大生產國,主流廠商為聯合再生能源(原新日光能源、昱晶能源、昇陽科三家合併)、元晶太陽能、茂迪與碩禾等,其中單晶矽太陽能電池的量產光電轉換效率約18-20 %,使用年限超20年,多數太陽能電池發電廠與系統安裝用模組皆採用此類型,並延伸各類型高效率(>20 %)太陽能電池包含埋柵式電極太陽能電池(Buried contact solar cell)、異質接面太陽能電池(Heterojunction with intrinsic thin film solar cell, HIT)、選擇性射極太陽能電池(Selective emitter solar cell)、射極鈍化背面局部擴散(Passivated emitter rear locally diffused solar cell)、反向背接觸太陽能電池(Inverted back-contact solar cell)等。

圖1 太陽能電池分類圖。

 

圖2為單晶矽太陽能電池與矽異質接面太陽能電池結構比較圖,台灣太陽能廠在轉型異質接面太陽能電池有一定優勢,在元件結構中佔半數皆為相似機台,主要機台只差別在於透明導電膜沉積機台,因此國內單晶矽太陽能電池廠轉型為高效率異質接面太陽能電池廠並且達模組量產化可行性高,異質接面太陽能電池,結構採用能隙不同的非晶矽與單晶矽異質接合,光譜分佈廣增加光利用率,因此能得到高光電轉換效率,本結構由日本三洋電機(Sanyo)所開發,2013年技術轉移松下電器Panasonic,2009年5月由AIST公開證明發表元件效率達23 %,過去矽異質接面主要專利為日本Sanyo所擁有,而最重要的原始專利[US 5213628] (於矽基板上成長另一種電性的非晶矽薄膜,於1993/5/25 日發表),目前此專利已於2008/5/25到期,讓全國太陽能電池公司相繼投入HIT太陽能電池研發,單晶太陽電池與HIT太陽能電池相比具備下列優點:HIT太陽電池在電池表面有較少的電流損失,因為上電極採用透明導電膜(Transparent conductive oxide, TCO),而單晶太陽電池所產生之電子會在指狀金屬電極處發生複合損失,HIT太陽電池在單晶基板上沉積一層本質非晶矽薄膜可以有效鈍化單晶表面缺陷,減少複合損失,改善p-n界面特性,減少功率損失。同樣模組1000 m2面積下,單晶太陽電池模組輸出功率為127 kW,而HIT太陽電池模組輸出功率為168 kW,足足多出41 kW。在高溫的環境下,單晶太陽電池模組因溫度升高使得效率下降,HIT太陽電池在高溫下(~70 ºC)電力輸出較高,與單晶太陽電池模組比較多出10 %電力輸出,並於2019由日本Kaneka公司將HIT與IBC進行結構結合開發出HBC(heterojunction back-contact )太陽能電池達26.6 %,是目前重點研發的太陽能電池元件之一,HIT太陽能電池最主要的關鍵製程設備之一是進行矽基板表面鈍化薄膜(僅3-5 nm)沉積的電漿輔助化學氣相沉積系統(Plasma enhanced chemical vapor deposition;PECVD),電漿沉積設備的穩定性對於HIT太陽能電池的開發有關鍵影響。。

圖2 單晶太陽電池與矽異質接面太陽電池結構比較示意圖。

圖3為PECVD電漿解離形式說明示意圖以沉積非晶矽薄膜為例,SiH4+H2在解離的過程中,單鍵Si-H鍵結強度為3.1-3.6 eV大於Si-Si鍵結強度2.4 eV,因此照光後不容易斷鍵,故此鍵較多會使薄膜品質增加,相對SiH2為短生命週期,且在缺陷增加時SiH2含量也随之增加,故 SiH2含量增加,則薄膜品質會下降,因此如何使鍵結控制在Si-H,是製作低光衰薄膜關鍵,再由沉積機制說明,電漿輔助化學相沉積系統其利用矽甲烷(SiH4)與氫氣(H2)施加RF功率使其產生電漿進行氣體解離,矽膜沉積過程中,大部分SiH4反應解離為SiH2,因為其只需2.2 eV就會產生激發反應。然而與SiH3自由基相比,其載子生命週期(Lifetime, τ)較差,並且會由二次反應SiH2+SiH4 形成Si2H6導致腔體灰塵污染。

圖3 電漿輔助化學氣相沉積與電漿解離形式說明。

PECVD體腔通入H2,可減少這種現象產生,H可以幫助產生SiH3,而不是SiH2。因此從這些不同的激發能量,將會釋放可見光產生輝光效應,可以得知腔體內自由基的濃度變化與比例,了解電漿自由基解離的情形來控制薄膜鍵結的形成,電漿分析設備可以使用光激發光譜儀(Optical emission spectroscopy, OES) ,OES其原理在於利用電漿之輝光效應進行檢測,主要觀察光譜波段為200-800 nm,重要峰值為Si*(252 nm)、SiH*(414 nm)、H* (656 nm、722 nm、772 nm),利用電漿檢測的方式可以由SiH*(414 nm)的強度推測鍵結SiH3的比例,而Si*(252 nm)的強度可判斷SiH2的比例,利用這樣的電漿分析機制我們將製作出具有少量SiH2鍵結的薄膜,提高薄膜品質。因為矽晶圓表面懸浮鍵使得沉積矽基薄膜進行異質接和時造成接面處載子複合,所以將會在接面處沉積i-layer進行鈍化(Passivation),是高效率HIT太陽能電池的關鍵技術之一。

圖4 不同製程區域製作HIT太陽能電池元件穿透式顯微鏡分析圖。

圖4為不同PECVD製程區域製作HIT太陽能電池元件穿透式電子顯微鏡分析圖,結晶矽和非晶矽的接面清晰明顯可作為界面處理優劣的重要參考依據之一,由此可知,區域A、B中c-Si/a-Si:H接面分界清晰,證明鈍化處理良好,此外兩個區域的界面分界以及厚度幾乎相同,這也說明相同OES光譜沉積i-layer其薄膜均勻性會相似,區域C顯示c-Si/a-Si:H接面分界出現陰影,不良的界面可以推測在該區域的高Si*(252 nm)強度導致兩個問題。(1)i-layer薄膜中可能含有大量的SiH2導致產生多孔結構增加缺陷密度。(2)高Si*(252 nm)自由基強度將造成矽烷團聚產生粉塵汙染 Si2H6將會影響薄膜沉積品質導致c-Si/a-Si:H界面產生劣化。因此區域C所沉積的a-Si:H不足以形成良好的表面鈍化,雖然區域C只是沉積區域的一小部分,但此區域的鈍化能力不足將會限制整個太陽能電池的性能,值得注意的是在HIT太陽能電池元件結構中本質鈍化層i-layer厚度只有3-5 nm,使得厚度均勻性難以控制,使此於PECVD設備導入電漿分析技術提供了簡單又有效的的方式來提高薄膜的均勻性適合應用於高效率HIT太陽能電池。

關鍵字