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多晶矽太陽能電池應用技術

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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. - PowerPoint PPT Presentation

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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

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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圖:滴下成型設備系統的基本結構圖。

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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。

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圖:一般球狀矽太陽能電池的製作流程。

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微結晶多層接面式堆疊太陽能電池 (Micromorph Tandem Photovoltaic Module),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。

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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

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並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式

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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%

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圖 (a)基板型太陽能電池 (b)表板型太陽能電池

       

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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。

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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

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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→

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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 ) 。

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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。

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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。

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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。

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多晶矽太陽能 單晶矽太陽能

價格 低 高

用途 家用太陽能發電 太空

顏色 不定 大多為藍色

轉換效率 低 高

切割、再加工的手續

較難 較易

產量 漸超過單晶 漸被多晶超越

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多晶 單晶製作方式 簡易(熔融的矽鑄造固

化製成)困難(柴氏長晶法)

優點 製程步驟較簡單,不須使用 CZ法或 FZ法成長的單晶圓,成本較單晶矽太陽電池低約便宜 20%,可用於陸上電力等應用。

發電力與電壓範圍廣,轉換效率高,使用年限長 ( 一般保證可達 20-25 年 )

缺點 效率較單晶矽低 製作成本較高 , 及製作時間冗長

市場模組發電轉換效率 10~18% 12~20%

未來發展 新材料的製造;大面積、高效率、安定性提昇;新結構

高效率大面積之 PERL結構;增加可利用的光波長範圍的新結構;提昇安定性

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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

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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

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