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突破轉換效率20%!奈米實驗室研發雙效合一超薄異質接面太陽能電池

2018/11/21 |採訪撰文:鍾嘉雯 點閱人次: 82

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異質接面太陽能電池結合矽晶太陽能電池和矽薄膜太陽能電池
攝影/鍾嘉雯

國家奈米元件實驗室(NDL)近年來研發新型的異質接面太陽能電池技術,不僅薄到可彎折,轉換效率還可以達到20%!它的極限在哪?目前誰也不知道。


國家奈米元件實驗室(National Nano Device Laboratories, NDL,簡稱為奈米實驗室)是國內唯一提供全套製程整合技術委託服務的開放式實驗研究環境。

穩定的製程平台:國家奈米元件實驗室(NDL)

「我們(奈米實驗室)一直以來的宗旨就是建構一個好的研發製程平台,來協助學界進行前瞻的研究,以太陽能電池的研究來說,像是吸收更多光的技術或提升抗反射係數來提升轉換效率等等。學界有很多創意,我們則是提供非常好的無塵室環境和工程師來和學界合作。」奈米實驗室前瞻元件組沈昌宏組長說明。

奈米實驗室的成立和發展,一直以來都圍繞著半導體和IC晶圓的研發,太陽能電池則是中途殺入的新方向。「我們一開始並沒有接觸太陽能電池的打算,大概在8~10年前吧,當時綠能的需求來得又快又急。學術界希望有個平台,能夠將技術的創新應用拿來驗證,驗證這些創意是否能開啟下一代新技術;產業界也期望有一個好的製程平台,以實驗證明新技術不僅可以實用並具有量產的可行性後,就可以引進業界,讓太陽能產業更向前邁進。」沈昌宏組長進一步解釋。

為此,奈米實驗室參與了第一期的能源國家型計畫(NEP-I),投入太陽能電池的研發。

對太陽能電池界來說,一個完整、有彈性且對研究機構和設備商開放的製程平台,可以提供研發極大助力。沈昌宏組長舉例:「我們可以像業界一樣,1片晶圓進來,經過完整的製程後產出1片太陽能電池,每道製程都可以應需求而調整,像是你有新的金屬線設計,我們可以停在金屬線的前一道製程,換你的金屬線進來,驗證最後完成的電池效果。」


太陽能電池進化史:效率高還要更高!

在準備投入太陽能電池研究的當下,會遇到什麼挑戰呢?使用太陽做為能量來源的太陽能電池,先天就是乾淨的能源,但要和傳統能源競爭,要克服的課題就是成本。沈昌宏組長表示:「一樣都是發電,太陽能電池就是要跟市售的電力競爭,甚至價格要比它(市售電價)還低,才會有競爭力。」

現在市占率最高的矽晶太陽能電池,轉換效率在16~23%左右,具有效率高、製程簡單、成本低廉及高可靠度等優勢,一直以來都是業界的寵兒,不過矽晶太陽能電池的主體「矽晶圓」,就占了成本的二分之一到三分之二,導致成本無法再進一步下降;且其轉換效率無法繼續提升的瓶頸,也讓太陽能電池業界持續找尋新的替代電池。

太陽能電池效率量測設備
攝影/鍾嘉雯

害怕光照的矽薄膜太陽能電池

為了解決矽晶太陽能電池的成本進一步下降的問題,產學界曾想朝向矽薄膜太陽能電池發展。奈米實驗室也藉由參與第一期能源國家型計畫機會,投入參與矽薄膜電池技術的研發。

「矽薄膜電池的好處是它的成本可以低非常多。」沈昌宏組長說明。矽晶太陽能電池的矽晶圓厚約200微米,現在可以做到約140~160微米;矽薄膜太陽能電池則是在玻璃上鍍一層薄薄的矽,矽薄膜厚度約600奈米(1微米等於1,000奈米),厚度少了幾百倍,薄到可以彎折,更可以降低成本。

但經過了3、4年的研究,矽薄膜太陽能電池的缺陷卻漸漸浮現。沈昌宏組長回想:「當時國際與本土都有很多廠商投入,希望可以突破矽晶太陽能電池的轉換效率,但過了幾年,大家都發現矽薄膜太陽能電池也有它的瓶頸。」

其一是轉換效率很難再提升,矽薄膜太陽能電池平均效率在當時僅有9~10%,相較於穩定量產、轉換效率平均17~18%(最好可以到21%)的矽晶太陽能電池,還有很大的距離;其二是薄膜品質的落差,矽薄膜太陽能電池很怕太陽光照。沈昌宏組長解釋:,「矽薄膜的品質不如矽晶圓,原子排列並不整齊,在吸收太陽光時就會開始裂化,在實驗室內量測轉換效率有10%,但照到太陽光後卻會因為效率衰減(degradation)而掉到8%。」

有沒有其他高效率的太陽能電池呢?在當時穩定的矽晶太陽能電池轉換效率17~18%時,日本提出了一種新的設計:轉換效率超過20%的異質接面太陽能電池,吸引了所有人的目光!


突破瓶頸就是轉機 結合矽晶和矽薄膜優勢的異質接面太陽能電池

這時候,太陽能電池界注意到一種超高效率的太陽能電池,在業界主流轉換效率仍在17~18%時,日本三洋公司(Sanyo,現已被松下公司Panasonic併購)投入開發轉換效率超過20%的太陽能電池。奈米實驗室研究後發現,這種高效太陽能電池,結合了矽晶太陽能電池的穩定可量產、和矽薄膜電池的低成本、更突破轉換效率,它就是「異質接面矽晶太陽電池(Heterojunction Crystalline Silicon Solar Cell, HJT)」。

異質接面的特別在哪裡呢?與傳統的矽晶太陽能電池相比,由於傳統電池使用的擴散法製程溫度高達900˚C,而異質接面太陽能電池則可在200˚C以下製作,在製程上就已經節約大量能源。

除此之外,異質接面結合了上下各約15奈米、超薄的矽薄膜和穩定的矽基板,在設計上可以兩面發電,雖然結構和製程相對簡單,轉換效率卻可持續提升。目前奈米實驗室內研發的異質接面太陽能電池以整體厚度180微米的一般做法,轉換效率已經達到21%,若製成100微米、薄到可彎折的版本,轉換效率也有20%;松下(三洋)開發的版本(亦可彎折)達到24~25%,最新型的版本已經到26.7%!

圖為異質接面太陽能電池的示範板,左:沈昌宏組長,右:陳士偉研究員
攝影/鍾嘉雯

關鍵挑戰一:修補破壞層

要在奈米實驗室研發異質接面太陽能電池的技術,是從其主攻的半導體業技術出發,矽薄膜其實是半導體界的常見技術,但要薄到15奈米的厚度,對矽薄膜的要求超乎想像地高。

沈昌宏組長解釋:「在異質接面太陽能電池中,上下各15奈米的矽薄膜保護層,是以電漿的技術(PECVD)鍍在矽基板上,但是在鍍的過程,卻可能會破壞矽基板的表面,當矽基板的表面有缺陷,轉換效率就會變很差。」

因此,要製作超薄的矽薄膜,就必須在實驗室和廠商的密切配合下,讓設備不斷進化,將過程中的破壞行為降到最低。除此之外,奈米實驗室更開發出後處理的技術,當矽基板和矽薄膜在真空腔體中合而為一後,通入氫電漿,氫是元素週期表中原子最小的元素,矽基板和矽薄膜結合時中間產生的缺陷,最小的氫原子還可以鑽進膜裡修復缺陷,整個轉換效率又大幅提升!


關鍵挑戰二:均勻鍍膜

除了矽薄膜和矽晶圓之間的微小缺陷需要修補外,太陽能電池的另一層挑戰是「均勻鍍膜」。雖然太陽能電池的鍍膜技術和一般半導體的晶圓製程的鍍膜技術是一樣的,但是,如果無法在一次製程中完成幾十片,成本就會相對提高;而若要均勻地將矽薄膜鍍在這麼大量(面積也隨之成長)的矽晶圓上,技術難度也會隨之增加。

沈昌宏組長表示:「松下公司的技術目前是領先全球的,目前一年的產量大約1GW,這在太陽能電池產業其實算是少量,大多是供日本國內使用。至於台灣,目前已經有小型公司進入量產階段,已經是起步的階段。」

異質接面矽晶太陽能電池結構圖
圖片提供/國家奈米元件實驗室

可見的高效率潔淨能源未來

異質接面太陽能電池還有不同的型態,除了由松下(三洋)所研發的版本外,另一種是美國Sunpower的交指式背電極太陽能電池(Interdigitated Back Contact Solar Cells, IBC),沈昌宏組長說:「這種變化型的太陽能板,可以將正面的電極做到太陽能板的背面(非吸光面)去,增加吸光面積,目前在實驗室的電池效率可以高達24%以上;如果再將太陽能板正面的銀色金屬線也做到背面去,讓金屬線位置的光不被擋住,轉換效率還可以再提升到26.7%。」

未來太陽能電池發展有兩條可能路徑,一是持續提升現有的矽晶太陽能電池效率,在已然成熟的電池技術和產業上已可預期會越來越辛苦;二是發展異質接面太陽能電池,開創一條未知但充滿可能性的道路。要如何提升關鍵的鍍膜技術、降低鍍膜設備的成本,就是走第二條路必須思考的方向。

沈昌宏組長分析:「在成本上異質接面太陽能電池並沒有比矽晶太陽能電池低,而它的技術也不是要完全取代原本的矽晶太陽能電池。異質接面太陽能電池的優勢是轉換效率高,在寸土寸金的都市地帶,單位面積的發電量越大越划算,這就是高效的異質接面太陽能電池未來發展立基。」

太陽能電池的發展也可以百花齊放,端視裝置太陽能設備的土地或屋頂等地方,甚至未來延伸到車輛或窗戶的面上,如果都有不同類型的太陽能電池可以適用,太陽光電的發展將更無可限量!


參考資料:陳士偉〈淺談矽晶太陽能電池〉《奈米通訊24卷No.1》,P.38~40。


關鍵字:異質接面太陽能電池,矽薄膜,矽晶圓,國家奈米元件實驗室

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