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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

圖：滴下成型設備系統的基本結構圖。

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。

圖：一般球狀矽太陽能電池的製作流程。

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。

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

並列接線以及直列接線等兩種模組配線連接方式

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%

圖 (a)基板型太陽能電池 (b)表板型太陽能電池

　　　　　　　

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。

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

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→

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 ) 。

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。

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。

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。

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

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

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

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

謝謝聆聽