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多晶矽太陽能電池應用技術

多晶矽太陽能電池應用技術. 化材二甲 第十組 4a140001 戴筱銜 4a140012 陳晏蓉 4a140031 林宜萱 4a140032 洪至承 4a140039 李亞璇. 大綱. 一、製造方法 二、原理 三、種類以及特性 四、應用 五、未來展望 六、優缺點比較 七、參考文獻. 傳統西門子 (Siemens) 式多晶矽生產技術. 冶金級矽精煉成電子級矽（純度 99.99% ， 6N 以上）以 Siemens 製程最負盛名，共分三大步驟。. 傳統西門子 (Siemens) 式多晶矽生產技術.

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多晶矽太陽能電池應用技術

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Presentation Transcript

  1. 多晶矽太陽能電池應用技術 化材二甲 第十組 4a140001 戴筱銜 4a140012 陳晏蓉4a140031 林宜萱 4a140032 洪至承4a140039 李亞璇

  2. 大綱 • 一、製造方法 • 二、原理 • 三、種類以及特性 • 四、應用 • 五、未來展望 • 六、優缺點比較 • 七、參考文獻

  3. 傳統西門子(Siemens)式多晶矽生產技術 • 冶金級矽精煉成電子級矽（純度99.99%，6N以上）以Siemens製程最負盛名，共分三大步驟。

  4. 傳統西門子(Siemens)式多晶矽生產技術 • 步驟一：Si + 3HCl → HSiCl3 + H2.以氯化反應合成TCS（化學式為HSiCl3)。操作方式係於流體化床反應器內，將冶金級矽與氯化氫在氯化銅觸媒作用下完成，反應產物除TCS外，尚有其他矽氯化物（SiH2Cl2或SiCl4）。 • 步驟二：HSiCl3 (純度>98%)→ HSiCl3 (純度>6N)以蒸餾方式製取高純度TCS，至少需兩個蒸餾塔。

  5. 傳統西門子(Siemens)式多晶矽生產技術 • 步驟三：HSiCl3 + H2→Si + 3HCl.分解反應，將TCS通入高溫分解爐。在氫氣作用下，TCS分解成矽並沉積於高溫分解爐內之U型矽晶棒。由於TCS的分解溫度為1,100℃，U型矽晶棒以電極加熱，棒內溫度達1,500℃。為避免TCS沉積於分解爐壁，造成操作困擾，分解爐壁外需大量冷卻水降溫。

  6. 氯化反應方式的Siemens製程特色 • 優點： （1)技術成熟，操作可靠，產品已達半導體級要求 • （2）矽轉化成TCS效率高 • （3）氯化反應溫度、壓力不高。目前全球多晶矽的生產大都採Siemens製程（超過75%） • 缺點： • （1）耗電力高且需有氯化氫的取得與使用處理能力。 （2）氯化反應副產物SiCl4為高污染毒性物質，難處理。

  7. 改良式西門子技術 • H2Si + SiCl4 → 2 HSiCl3在製程第一步驟，以氫氯化反應取代氯化反應，先行取得SiCl4，將冶金級矽與SiCl4在氫氣作用下，經氫氯化反應生成TCS；其後步驟則與氯化反應方式的Siemens製程相同：蒸餾與分解。

  8. 氫氯化反應方式的Siemens製程 • 優點： • （1）投資成本較低。 • （2）氫氯化反應耗電量較低。 • 缺點：氫氯化反應溫度及壓力較高，容易爆炸，第一次Si轉化成TCS良率較低。

  9. 多晶矽太陽能電池：原理 • 依照光電效應，當光線照射在導體或半導體上時，光子與導體或半導體中的電子作用，造成電子流動，而光的波長越短，頻率越高，電子具有的能量越高，例如紫外線所具有的能量便高於紅外線。 • 非所有波長的光都能轉化為電能，只有頻率超越可產生光電效應的閾值時，電流才能產生。在常見的半導體太陽能電池中，透過適當的能階設計，便可有效的吸收太陽所發出的光，並產生電壓與電流。這種現象又被稱為太陽能光伏。

  10. 太陽能電池：種類 • 太陽能電池的材料種類繁多：非晶矽、多晶矽、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料等。其設計上主要透過不同的製程和方法，測試對光的反應和吸收，做到能隙結合寬廣，讓短或長波長都可全盤吸收的革命性突破，降低材料成本。其中薄膜式與建築物有較佳結合性，具有曲度，可撓、可折疊等特性，材料上較常用非晶矽。 • 由發展時間區分為四個世代：第一代基板矽晶 (Silicon Based)、第二代為薄膜 (Thin Film)、第三代新觀念研發 (New Concept)、第四代複合薄膜材料。

  11. 多晶矽太陽能電池：種類 • 種類:塊狀(Bulk-Like)、薄膜狀 (Film-Like)、以及球狀(Spherical or Ball-Like) 。 • 在薄膜狀太陽能電池的種類方面，有單一接面式 (Single Junction)、雙重接面式 (Twin Junction)、以及多重接面式 (Multiple Junction or Multijunction) 等。如圖所示： • (a)單一接面式 (b)雙重接面式 (c)多重接面式

  12. 塊狀太陽能電池(Bulk-Like Solar Cell) • 塊狀多晶矽材料，以熔融的矽鑄造固化而形成的，製程簡單，成本較低。 • 在矽晶圓型太陽能電池模組的成本方面，主要來自於矽晶圓片、太陽能電池胞製程、以及太陽能電池模組組合等，其成本的比例分別65.0%、10.0%以及25.0%等，而且此一成本結構隨著市場需求與新技術的開發，而產生相對地變化。

  13. 薄膜狀太陽能電池(Film-Like Solar Cell) • 薄膜狀多晶矽材料，是以氣相或液相化學沉積方式而形成的，因為其製程較複雜，成本較高。薄膜狀的多晶矽是形成於矽晶圓片、塑膠片、金屬片、或玻璃片等基板材料表面。 • 多重接面式的薄膜太陽能電池，則是高光電轉換效率的堆疊式薄膜太陽能電池。

  14. 球狀太陽能電池(Spherical or Ball-Like) • 圖(a)實體：代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體。

  15. 球狀太陽能電池(Spherical or Ball-Like) • 圖(b)解剖體：代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體。

  16. 球狀太陽能電池(Spherical or Ball-Like) • 圖：滴下成型設備系統的基本結構圖。

  17. 球狀太陽能電池(Spherical or Ball-Like) • 氫鈍化處理 (Hydrogen Passivation Treatment):在球狀矽太陽能電池內，存在缺陷、晶界、雙晶以及差排的分布，可經由射頻氫氣電漿處理，使接面區域的懸吊鍵結失去活性化而產生鈍化效應。 • 一般氫鈍化處理的製程條件，1.5 Torr氣壓、125 mWatt/cm2射頻功率密度以及400攝氏溫度，進行兩個小時的氫電漿化處理。

  18. 球狀太陽能電池(Spherical or Ball-Like) • 圖：一般球狀矽太陽能電池的製作流程。

  19. 多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及特性 • 微結晶多層接面式堆疊太陽能電池 (Micromorph Tandem PhotovoltaicModule)，乃是在非晶矽 (Amorphous Silicon) 薄膜表面，堆疊不同的微結晶矽 (Microcrystalline Silicon) 薄膜，以形成兩層以上的多層接面式堆疊結構。 • 此種類型的太陽能電池，具有良好的透視性、低傾斜角而高密度頂設置以及建材或壁牆一體化應用等。

  20. 多晶矽薄膜型太陽能電池基本結構及特性 • 一般代表性的輸出特性，最大輸出電功率是130瓦特 (Watt)，最大輸出動作電流是1.29安培 (A)，以及最大輸出動作電壓101伏特 (V) 等；而短路電流是1.53安培 (A)，開路電壓是131伏特 (V)，以及最大系統電壓是600伏特 (V) 等。 圖：在不同溫度 (a) 以及照射強度 (b) 之下，微結晶多層接面式堆疊太陽能電池的電壓 - 電流特性圖

  21. 並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式

  22. 多晶矽太陽能電池的製程技術 • 矽材料的種類，可以分為冶金級(Metallurgical Grade Silicon, MGS)以及電子級(Electronic Grade Silicon, EGS)，冶金級矽材料又稱為矽金屬，純度是98.5%；而電子級矽材料是半導體級的矽材料，具有非常高的純度材料，其純度的要求是99.99%

  23. 多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術 • 圖(a)基板型太陽能電池 (b)表板型太陽能電池

  24. 圖：基板型太陽能電池的製作流程

  25. 圖：非晶矽、微晶矽或多晶矽以及單晶矽等薄膜而言，其太陽能光譜的吸收特性及其穿透係數。圖：非晶矽、微晶矽或多晶矽以及單晶矽等薄膜而言，其太陽能光譜的吸收特性及其穿透係數。

  26. 應用 • 從太空科技(1950年)移轉至一般民生商業用 • 1.家用發電系統：從 20W 至 4kW，視需要量而定 • 2.農業：灌溉及抽水等動力用電系統 • 3.交通：電動車、充電系統、道路照明系統及交 通號誌 • 4.電訊及通訊：無線電力、無線通訊 • 5.備載電力：災害補救

  27. 應用 • 6.小功率商品電源 • 7.電子式公車站牌 • 8.大功率電子發電系統 • 9.人造衛星 • 圖為蘭嶼太陽能板路燈→

  28. 未來展望 • 低廉的成本： 1.製作過程簡單，以單熔融的矽鑄造固化製成。 2.特色是不須使用CZ法或FZ法成長的單晶圓。 3.使用純度較低的多晶矽為原料。長晶過程中所需的製造成本也低。 • 4.生產速度快，應用在消費性電子產品上 • 5.多晶矽晶圓主要製程為鑄造切方、切片、清洗及晶片檢測等 • 6.多晶矽太陽能電池的市場主流(轉換率) 。

  29. 多晶矽太陽光電池降低成本 • 1.純化的過程沒有將雜質完全去除。 • 2.使用較快速的方式讓矽結晶。 • 3.避免切片造成的浪費。

  30. 優缺點 • 多晶矽：世界主流 • 優點： • 1.雖然多晶矽轉換效率比不上單晶矽，但是跟其它種類的太陽能電池(市售品)相較，性能較高。 • 2. 壽命長達20年以上。

  31. 優缺點 • 缺點： • 1.與矽薄膜太陽能電池(非晶矽太陽能電池)相較，在高溫下性能明顯降低。 • 2.價格僅次於單晶矽（最昂貴），相當昂貴。 • 3.結晶構造較差：(1.)本身含有雜質(2.)矽在結晶時速度較快，矽原子沒有足夠的時間形成單一晶格而形成許多結晶顆粒。 • 4.太陽能電池在夜間無法發電，易受氣候干擾。

  32. 多晶與單晶比較

  33. 參考文獻 • 維基百科太陽能電池：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0 • 能源知識庫：http://km.twenergy.org.tw/KnowledgeFree/knowledge_more?id=98 • http://www.moneydj.com/kmdj/wiki/wikiviewer.aspx?keyid=3c38a19a-7729-4694-8a58-c925e0425088 • http://www.shs.edu.tw/works/essay/2007/03/2007032522390201.pdf

  34. http://blog.xuite.net/slhs7163/violet/41922634-%E7%B2%BE%E5%BD%A9%E8%98%AD%E5%B6%BC%E2%94%82%E7%92%B0%E5%B3%B6%E5%85%AC%E8%B7%AF%E4%BB%BB%E9%81%A8%E9%81%8A(%E5%9C%96%E7%88%86%E5%A4%9A)http://blog.xuite.net/slhs7163/violet/41922634-%E7%B2%BE%E5%BD%A9%E8%98%AD%E5%B6%BC%E2%94%82%E7%92%B0%E5%B3%B6%E5%85%AC%E8%B7%AF%E4%BB%BB%E9%81%A8%E9%81%8A(%E5%9C%96%E7%88%86%E5%A4%9A) • http://web.nuu.edu.tw/~hsuch/download/solar%20cell%20devices%20process%20technology2.pdf • http://www.taifer.com.tw/search/049002/51.html

  35. 謝謝聆聽

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