• 太陽光電產業製程與技術 發展趨勢


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    • Abstract: 淺述「太陽電池模組」與「太陽光電系統」之製程與短期. 內之技術發展趨勢。 太陽電池模組技術發展. 承續上述矽晶體太陽電池之下游產品 -- 太陽電池模. 組,其主要將太陽電池依據其轉換效率,為極大化模組之. 整體轉換效率 ... 由於結晶矽太陽電池模組技術發展較為成熟, 因此,相較結晶矽太陽電池模組,薄膜太陽電池模組技術. 發展所需較長的研發時程。 隨著太陽電池薄型化,自動化模組封裝技術的發展。 模組技術障礙較低,故現階段大部分廠商仍多以人工替代. 機械設備,面對極具規模的市場,如何運用自動化技術替. 代人工,提升良率與規模經濟、整體配置效. 率。 另外,為提升未來應用上的市場,結合. 建材與太陽光電模板的應用 ...

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太陽光電供應鏈淺談( 1 )
太陽光電產業製程與技術
發展趨勢
■劉佳怡 / 工研院 I E K 新興能源研究部產業分析師
現階段太陽光電產業, 80-90% 主流產品為「結晶矽 多晶矽材透過 CZ 、 FZ 法成為單晶碇,而 CZ 法為普
太陽電池」。依據製程及成本結構可將供應鏈區分為多晶 遍的一種方式。其中,CZ法是目前較普遍被使用的方法,
矽材(Polysilicon Material)、矽晶片(Wafer)、太陽電池 與半導體產業使用一樣,FZ方法利用驅融的方式,產生較
(Solar Cell)、太陽電池模組(PV Module)與太陽光電系統 高純度且低含氧、成本較高的晶體,價錢也較貴,一般因
(PV System)等五大項次產業,如圖 1 所示。 太陽電池用的矽晶圓品質要求較低,而較少使用。
有鑑於太陽光電產業之發展,上下游供應鏈關係密 多晶矽材的使用上,以半導體產業需求量為多,然自
切,故本文將依序簡述各項次產業之製程與短期內技術發 2004後半年,隨著太陽光電的急速發展,及半導體景氣回
展趨勢,以便讀者能全面性、概括性的瞭解,短期內太陽 升,導致原料供應不敷需求。然就太陽光電產業而言,普
光電產業之技術發展趨勢。 遍被使用之結晶矽太陽電池則包含多晶、單晶太陽電池,
由於單晶矽純度較高,製造成本較高,相對作為太陽矽晶
矽原料技術發展 體電池所能轉換太陽光能之效率亦較多晶矽高。2004年由
於太陽光電產業發展剛起步,因此相較於半導體產業對於
多晶矽材從二氧化矽(Silica)二度提純後的產品,首
晶圓片之需求較小,加上成本考量,太陽光電所用之晶圓
先,將二氧化矽置於高溫電弧爐進行還原,成為98%純度
片多由半導體產業之廢次晶圓和頭尾料再處理所產生。
之冶金級矽材(mg-Si),而後透過 Trichloro Silane 或
其中,太陽電池所用的基板 - 矽晶片(Silicon Wafer)
Mono Silane 的方式,精鍊成為多晶矽,成為高純度之多
規格的要求是強調低成本,在矽原料取得及規格上與半導
晶矽材。
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圖 1 :「矽晶體」太陽光電產業供應鏈 體矽晶圓所用矽原料,相對可
接受較低的純度。於製程角度
觀之,以西門子製程所產出之
半導體的多晶矽材,成本約為
25-30 US$/kg ,太陽能級多晶
矽材則為 20-25 US$/kg 。
「矽晶體太陽電池」供應鏈 隨著多晶矽材缺料情形日
Polysilicon Material Wafer Solar Cell PV Module PV System 趨嚴重,太陽電池用的多晶矽
各次產業之成本結構
來源,部分來自半導體矽晶圓
電力>40% Poly-silicon 30-60% Wafer 60-70% Cells 60-70% Model 80-90%
製程時所去除的規格外品及頭
Others 40-70% Pastes 10-20% EVA 10-15% Inverter 5-10%
尾料。包括:純化過程的不合
Chemicals 105cm-1 ,故厚度相當薄,並可吸收 90% 以上的光;
CdS 層的上沿先接合 TCO ,再連接基材, CdTe 上沿則接
合背板,形成一個電池架構。目前轉換效率>10% ,然仍
具有以下限制:(1)模組與基材成本太高, CdTe 佔材料總
成本的 53% ,半導體材料則為 5.5%;(2)碲天然蘊藏量有
限,未來若成為主流,材料仍為嚴重問題;(3)鎘具有毒
性,故雖其對太陽光譜具有最適合的吸收係數,且為直接
遷移型半導體,在物性上具有優越的地位;然與另一
CuInSe2(CIS)為三元素化合物太陽電池,雖其特性具有較
佳的光吸收係數,但是這兩種薄膜太陽電池分別由於環保
單結晶矽太陽電池 多結晶矽太陽電池 非結晶矽太陽電池 問題及大量生產不易問題,一直無法商業化;因此,基本
SINGLECRYSTAL POLYCRYSTAL AMORPHOUS
上低價格、高可靠度、可商業化的太陽電池確是以薄膜型
資料來源:http://www.solar-i.com/know.html ,「認識太陽
能電池」,查丁壬,中華太陽能聯誼會;h t t p : / 晶矽材料被視為未來可期待之太陽電池材料。
/www.reink.com 由於薄膜太陽電池具備低價、可大面積化的特徵,因
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此,一直扮演著未來可商業化希望的太陽電池的角色,雖 圓的晶矽太陽電池相比較。然實驗室最高轉換效率已達
然技術的發展與矽晶圓晶矽太陽電池同步,但是,至今在 21% ,而商業化市場中,僅 Astropower 以昂貴的石墨為
性能及可靠度方面仍然無法與矽晶圓晶矽太陽電池相比 基材,轉換效率方為13.4%。其雖為未來具潛力之太陽電
擬,最主要的原因乃在於很難在便宜的基板上(若使用矽晶 池種類之一,然目前尚須持續鑽研的方向:(1)使用玻璃基
圓為基板就喪失了以低價為取向的薄膜技術之原意)成長出 材、(2)使用耐高溫基材、(3)將單晶矽層半成品轉植至玻璃
與矽晶圓相同品質及可靠度的薄膜矽材料。在這長期的發 矽材。而日本三菱則成功製備 1 0 0 c m 2 ,轉換效率達
展時日裡,薄膜矽太陽電池(Thin Film Silicon Solar Cells) 16% 。
的轉換效率,目前商業化技術上,比Wafer Based晶矽太 而染料敏化太陽電池,則以奈米結構電極與染料結
陽電池低約 7-8% ,主要的理由為:(1)非晶矽薄膜太陽電 合,成為高轉換效率電子轉移介面技術;基本架構為透明
池因成長在便宜的基板上,因此無磊晶的效應,材料的特 導電基片、多孔奈米晶體二氧化鈦半導體的導電層,然激
性與穩定度就無法與矽晶圓晶矽太陽電池相比;(2)低溫多 發態是於一個不穩定的狀態下,因此,電子必需以最快的
晶矽薄膜太陽電池為低溫成長,材料的缺陷問題無法與晶 速度注入到緊鄰的TiO2導帶,使染料分子所失去電子能在
表 1 :各類太陽電池之特性
材料 單晶矽 多晶矽 非晶矽 薄膜太陽電池
III-V 族(GaAs, InP 等) II-VI 族((CdS, CdTe,CuInSe2 等)
理論轉換效率 25-30% 20% 15% 35% 17-18%
34%(集光型)
電池轉換效率 17-21% 15-17% 10-12% 18-30% 10-13%
厚度 200-300 μ m 200-300 μ m 0.5-0.7 μ m -- --
模組轉換效率 12-16% 10-12% 6-9% -- --
實際轉換效率 24%(實驗) 17.7%(實驗) 13.5%(實驗) 27.8%(實驗) 15.8%(實驗)
14-17%(商業) 12-14%(商業) 5-7%(商業)
耐用性 佳 佳 普通 佳 佳
材料成本 高 中 低 極高 低
用途 太空電力
中央發電系統 獨立電源 獨立電源 獨立電源
獨立電源 少數民生消費 少數民生消費 太空電力 少數民生消費用品
少數民生消費 用品 用品
用品
優點 材料缺陷少, 製成步驟簡單 目 前 成 本 最 低 的 G a A s 太陽電池轉換頻率最高,材料及製作成本高,
光電轉換效率 ,成本較單晶 商業化太陽電池 僅用於太空應用及特殊用途。
高。發電力與 矽太陽電池便 , 無 須 封 裝 , 生 C d Te 太陽電池對太陽光譜具有最適的吸收係數,且
電壓費為廣, 宜,可用於低 產 最 快 , 常 用 於 為直接遷移型半導體, C u I n S e 2 ( C I S ) 太陽電池具有較
轉圜效率高, 功率的電力應 消 費 性 電 子 產 品 佳的光吸收係數,其膜厚僅屬 m m 。
發電特性安定, 用系統。
具耐久性。
缺點 製作成本高。 效率較單晶矽太 戶外設置後輸出 基板、材料及其製 環保問題及大量生產不易,
製作時間長。 陽電池低。 功率減少的光劣 作成本高,僅是用 故一直無法商業化。
化現象 ( 戶外使 於特殊用途,較少
用穩定度不佳) , 大量生產之商業化
轉換效率較結晶 產品。
矽太陽電池低。
資料來源:工研院材化所;工研院 I E K
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第一時間從電解質中得到回饋作用,於TiO2導帶中的電子 美國則多朝向其他新興太陽電池的發展前進。
能夠併入導電膜中,最終經由電極引至外部迴路產生光電 Sharp 估計, 2000-2040 年各類型太陽電池之發展
流作用;雖 DSSC 被預期為第三代太陽電池技術,然由於 趨勢。有鑑於太陽光電需求急遽上升,引發矽材短缺的問
(1)目前商品化時程尚未能夠印證產品的耐久性、(2)整體電 題,亦間接促進各種太陽電池技術之發展,而各類型技術
池模組的細部研究尚待加強、(3)大面積製程技術,目前研 之發展狀態,薄膜矽太陽電池被稱之為第二代太陽電池,
究投入不足;因此,於邁向未來低成本太陽電池的路途 尤其是具優勢性的微晶矽(mC-Si)薄膜太陽電池,其轉換效
上,仍需伏枕以待。 率可達 12% ,雖目前仍無大量商品推出,然預期 10-15 年
截至目前為止,單晶矽與多晶矽太陽電池仍為太陽電 後將逐漸於市場具影響力。另外,近年來各研究單位積極
池之主流技術,預期至2010年,單多晶太陽電池佔領市場 著手於第三代太陽電池研發,例如:先進薄膜材料、奈米/
約 85% ,而 Ribbon-/Sheet c-Si 之應用比例將成長至 量子材料及技術、有機無機混成太陽電池。其中奈米太陽
8%。另外,由於日本與德國市場應用政策充分導引產業發 電池研究很少且水準不佳,而目前奈米應用於太陽電池領
展,故單多晶矽太陽電池技術由美國主力發展轉移至以日 域之技術發展步調緩慢;因此,整體而言,預期未來至
本與歐洲發展最為成熟。為了區隔技術發展之方向,近期 2010年前,太陽電池技術發展仍以結晶矽太陽電池為生產
圖 3 :至 2 0 4 0 年各種材料的太陽電池發展趨勢 及研發重點。
細觀主流太陽電池結晶矽太
陽電池之製造流程,如圖 4 所示。
而其短期未來極具潛力的兩項產
品 - - 結晶矽( B u l k - S i ) 與薄膜矽
(Thin Film Tandem-Si)太陽電池,
其全球技術之發展趨勢如圖 5 所
示。
目前結晶矽太陽電池量產設
備進步很快,而 Cell 效率與產能對
製程設備的依賴度越來越高, Cell
效率與成本除了技術與 Know-how
以外,與設備、材料(Wafer)之品
質亦有很大關係。近 2 年產品效率
提升很快,而主要改進之處為:(1)
Wafer品質、厚度與成本;(2)製程
設備;(3)製程方法與元件結構之調
資料來源:S h a r p ;工研院材化所 整。而未來技術發展重點有二:
圖 4 :太陽電池製造過程與相關設備
資料來源:工研院材化所;工研院 I E K
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圖 5 :全球太陽電池技術發展趨勢 (Spherical Silicon Solar Cell)、背接式太陽電池(Cross
Section Cell)...等技術。此類新興太陽電池之技術發展,
亦為太陽光電產業未來發展之重要關鍵因素。
資料來源:工研院材化所
1.開發使用薄晶片以提昇效率之製程技術;
2.新結構與新製程結晶矽太陽電池技術開發,包括:
(1)網印技術製作 selective emitter 結構,(2) Impurity
gettering 技術,使 lifetime 提昇,(3)以 Laser 製作 Local
BSF 結構技術,(4)Surface passivation 技術,(5)使用 綠能科技與應用材料在台簽約
RTP or belt furnace 降低製程溫度,(6)多晶矽晶片表面 合作建置薄膜太陽能生產線
Texturization技術...等。
繼即將成為全球前五大太陽能矽晶圓廠後,台灣
R.M. Swanson 則於 A Vision for Crystalline Siliocn
最大的太陽能晶圓製造商綠能科技今 ( 2 6 ) 日正式宣布,
Solar Cells 說明, 2002-2012 年太陽電池關鍵技術發展趨
與美商應用材料公司在桃園合作建置一條 8 . 5 世代薄膜
勢有幾項特點: ( t h i n f i l m ) 太陽能生產線,成為台灣第一家生產 5 . 7 平方
1.效率由 17% 增至 21% 米超大尺寸的太陽能模組廠。
--Heterostructure contacts 綠能科技股份有限公司(Green Energy Technology
--Advanced cell designs Inc. GET)是大同(Tatung)透過子公司尚志半導體股份有限
公司(Sanchih Semiconductor)於 2004 年 7 月投資成立的
--High lifetime silicon
能源科技公司,現為專業太陽能用電池晶片製造廠。
2.矽晶圓厚度由 280 μ m 降至 120 μ m
綠能科技總經理林和龍表示:綠能科技長期供應
3.太陽電池尺寸由 5 吋增至 8 吋
太陽能電池製造所需的矽晶片,深刻了解太陽能電池製
4.結晶成長技術改良 造廠及半導體廠皆對矽晶片需求殷切,矽晶片物料供應
5.切割技術的精進:降低 Kerf Loss 由 200 μ m 至 130 μ m 相對吃緊。因此,將薄膜科技運用在玻璃基板上發展太
6.工廠產能由200MW/yr增至500MW/yr 陽能電池之可行性大增,全球太陽光電產業對符合成本
7.工廠高度的自動化 效益的太陽能模組需求也日益強烈。發展大尺寸薄膜太
陽能科技有顯著的經濟優勢,應用材料多年來深耕大尺
成本降低部分,由於Solar Grade矽晶原料之研發,
寸平面顯示器製造,專業技術有目共睹,我們信賴應用
目前 IC Grade 成本約為 US$40-60/kg , Solar Grade 可降
材料公司能提供相關的技術與經驗,襄助綠能科技這項
至US$30/kg以下,加上Wire Saw技術改進,並強化原先
新投資計畫邁向成功。
20 年之使用年限至 30 年,及製程材料與設備低價化,因 綠能此次向應材訂製一條全套整合型的太陽能模
此單矽晶太陽電池有機會降低一半的成本。藉由高品質矽 組生產線,估計每年產能將可達 4 0 百萬瓦,整套系統
晶片,及結構 / 製程之提升,使得量產效率得以提升。 將於 2 0 0 8 年上半年出貨裝機,預期 2 0 0 8 下半年開始上
另外,面對上游矽材短缺,各種新興太陽電池技術則 線生產。綠能科技計劃發展各種快速成長的應用,將之
運用在一些需考量成本效益的大面積模組,例如發電廠
有更大的誘因促進開發,諸如:聚光型太陽電池
以及建築用穿透式太陽能模組。
(Concentrating Photovoltaic Cell)、球狀太陽電池
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太陽光電供應鏈淺談( 3 )
太陽電池模組技術發展
劉佳怡
接續上 / 中篇對於太陽電池所需之上游矽材、矽晶 程如圖 1 所示。
片,及太陽電池製程與技術發展趨勢說明後,本文則接續 以全球太陽光電之領導廠商,日本Sharp公司為例,
淺述「太陽電池模組」與「太陽光電系統」之製程與短期 其訂定歷年發展目標,主要以高效率、大尺寸,及建材一
內之技術發展趨勢。 體為主軸。由於結晶矽太陽電池模組技術發展較為成熟,
因此,相較結晶矽太陽電池模組,薄膜太陽電池模組技術
太陽電池模組技術發展 發展所需較長的研發時程。
隨著太陽電池薄型化,自動化模組封裝技術的發展。
承續上述矽晶體太陽電池之下游產品 -- 太陽電池模
模組技術障礙較低,故現階段大部分廠商仍多以人工替代
組,其主要將太陽電池依據其轉換效率,為極大化模組之
機械設備,面對極具規模的市場,如何運用自動化技術替
整體轉換效率的設計,經併聯與串聯後之產品,其製造過
代人工,提升良率與規模經濟、整體配置效
圖 1 :太陽電池模組製造過程與相關設備
率。另外,為提升未來應用上的市場,結


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