作者：杜邦电子与通讯事业 微电路材料   全球策划经理   林政男

　　过去两年，光伏电池与组件价格不断下跌，使得电池与组件供货商开始正视，唯有高效率才能在市场上胜出，唯有提供更优化的产品才能创造市场区隔与产品优势。如何在材料开发上做提升？如何将材料与工艺流程做最好的搭配？具备与现有生产工艺流程最便捷的整合性、又不需增加实现成本，将成为胜出的关键技术。
　　从材料的角度，我们认为可以透过三个方向来达到电网平价的目标，包括：提高效率、延长使用寿命以及降低成本，在本篇文章中我们所要讨论的主题将专注于光伏电池的效率提升。这将可实质减少安装成本和光伏系统的均摊成本。
效率与成本、获利之间的关系
　　首先，我们先来了解当晶体硅电池效率提升时，将如何改变均摊成本?
　　这里，图表一显示美国特拉华州大学(University of Delaware)近期发表的高效率对发电成本的影响。如图所示，光伏组件效率水平从现在平均14% 提升到平均 20%时，将降低约25%的发电成本。由此数据，我们可以概括地说，光伏组件每1%绝对效率的提升将降低4%的发电成本，因此当发电成本的大幅下降到一个程度时将扩大光伏发电的使用，并使系统商能在没有补助的情况下赢利营运。
　
　　提高效率除了可降低发电成本之外，更可以提高电池与组件制造商的获利能力。我们做了一些分析来了解，提高转换效率对于一个GW等级的组件生产商的影响，估计组件效率提高1％，可以至少增加营业利润5千万~7千万美元，这是相当可观的数字。
　　正在与微薄利润挣扎的制造商，将可通过生产效率更高的产品迅速改善他们的赢利。所以我们现在已经确定，提高效率对于帮助产业发展是至关重要的。但如何达成效率的提升? 如何透过电池与组件的设计以及材料的改进以达到效率提升的目标，这将是我们接下来要探讨的问题。[page]
提高电池效率创新的特殊方法
　　一般来说，有几种方法可以提升光伏电池的转换效率。在这里，我们列出了一些最重要部分。它们包括：
　　第一：减少载流子的复合：载流子的复合会阻止电子运行进而阻碍电流产生。减少电池中电子和空穴复合可以直接提高效率。减少载流子的复合有很多种方式，我们待会再详细讨论。
　　第二：降低电池中的电阻损耗是非常重要的。我们待会在报告中会展示一些关键金属化银硅接触的照片。而在任何光伏组件中，确保有一个良好的导电路径，是达成高效率性能的关键。
　　第三：在电池和组件会有光学损失发生，这会降低转换效率。有一些方式可以提高光子传送到电池的正面的机率，包括电池表面结构化和高反射率背板。
　　第四，遮蔽效应。制作电池时，电池正面的金属化电极会遮蔽其下方的硅片表面，进而降低转换效率。朝向更高的高宽比导线或背接触电极设计将大幅减少遮蔽。
　　最后，反射损失。抗反射涂层和妥善设计的组件与玻璃封装的设计，可以帮助减少这种反射损失。
　　    因此，可藉由降低可能出现的光学，电阻，反射和复合损失等方式，以提高转换效率。 
　　接下来，让我们看看在光伏电池制作中可以提高效率创新的特殊方法。(图表二)
　　    在这里，我们列出达成高效率光伏电池的多种方法。主要可以分为3个群组，如图表左侧显示：
　　
　　增强型发射极，背表面设计（包含钝化层保护或局部背面电场）， 金属通孔电极。这些分组内，也有具体的设计类型（显示在中央部分），以及部分具体的技术实现（在这里显示在右边）。这些方法在电池制造过程中都使用不同的材料和需要不同的制造工艺。有些已经投入量产，而另一些则仍在开发中。每种方法有不同的成本，并可提升不等的转换效率。我们相信，这些方法很多是技术上可行的。很多可能已被采用，但只有少数是可以大批量商用生产的成功。
　　   为了超过20％转换效率的关卡，多种方法是可以结合起来。我们将在此篇文章中中注于低表面浓度扩散技术(Lightly Doped Emitter)及选择性发射极(Selective Emitter)的介绍。[page]
低表面扩散浓度电池工艺 (Lightly Doped Emitter - LDE)
　　低表面扩散浓度的工艺设计是藉由减少电池表层的磷浓度来减少死层作用、改善表面钝化。对于传统的发射极，表面磷的高浓度掺杂带会增加电子与空穴的复合率，从而降低蓝光区的IQE(内部量子效率)，带来较低的Voc和Jsc。
　　藉由扩散工艺的调整，降低表面磷浓度，可以降低表面缺陷，从而实现IQE(Internal Quantum Efficiency)的提升， 低表面扩散浓度的发射极有助于提高电池Voc表现，甚至还同时提高电池的Jsc
　　如图表三左图所示，黄色部分代表的就是"低表面扩散浓度"或是"浅扩散"区域。而右图，代表的是磷原子扩散的浓度曲线，蓝色代表的是"低表面扩散浓度射极电池" 与红色则代表"普通电池"。
               图三
　　
低表面浓度扩散电池的优势
　　而这样的设计可来带来多大的转换效率提升呢?低表面扩散浓度射极电池可能提升0.4个百分点以上的绝对转换效率。
　　如此高的转换效率提升，主要来自于以下的四项因素：1较高的开路电压；2较少的表面电子与空穴复合；3较低的晶体硅与金属导线接触电阻；4藉由低表面扩散浓度发射极的特性，我们可以调整n-射极的设计进而优化短路电流以及填充因子来达到最佳效率。
　　藉由低表面扩散浓度射极的设计，我们已经可以达到18.6%以上的转换效率。而低表面扩散浓度发射极的理论，一直到最近才成功在商业电池生产中实现，原因就是来自于新型的导电浆料进步。
新一代导电浆料的材料特性
　　在以往的电池片效率优化的工作中，人们不断调整工艺，以期能够通过提升Voc与Isc来实现电池片效率的提升。但由于过去正银浆料与晶体硅之间的接触电阻较高，在Voc提升的同时难以避免FF的损失，使得优化空间受限。
　　新一代浆料，因为其独特的材料特性，使银与晶体硅之间只有非常薄而均匀的一层界面玻璃(参见图表四)，因此可实现更低的银硅接触电阻。从电池性能的表现来看，图表六的数据显示，PV17x系列的接触电阻(contact resistivity)比上一代产品减少30%以上，甚至较其它浆料减少90%以上。
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与特殊电池工艺流程的搭配性
　　优化表面扩散浓度工艺以及选择导电浆料，对于晶硅电池转会效率的提升极为重要。然而，扩散工艺的优化却被传统正电极银浆的材料性能所限制，其原因在于传统浆料无法与低表面扩散浓度的硅层形成良好欧姆接触，以至无法得到较好的电性能。
　　如下图，我们使用传统浆料与Solamet? PV17x应用在不同的表面扩散浓度电池上，比较其转换效率。
　　图表五中的左方黑点，代表的是传统浆料应用于一般以及低表面扩散浓度射极电池上，电池转换效率约为18.1%，看不出差异性；反观图中右方的红点，代表的是使用Solamet? PV17x于一般以及四种不同低表面扩散浓度射极电池上的比较，四种不同低表面扩散浓度射极电池代表的是不同磷扩散表面浓度。相对于传统浆料，使用Solamet? PV17x在一般电池工艺中也能提升转换效率。
　　
　　不过，重点是藉由低表面扩散浓度工艺优化搭配Solamet? PV17x，如 LDE3 这组，相对于传统的设计，可以提升0.5%绝对转换效率。而且，这0.5个百分点的转换效率提升，是不用额外的设备资本支出。
　　由此可看出，实现低表面扩散浓度工艺以及提升电池转换效率，导电浆料有着绝对的影响! (参见参见图表六)
　　
选择性发射极(Selective Emitter)
选择性电极主要两大优势
　　第一， 较深射极位于导电银浆下方以降低银硅接触电阻并避免电流短路。
　　第二，位于导电银浆栅线之间的低表面浓度射极可以强化短波长蓝光及紫外光的吸收以提高电流输出，更重要的是低表面浓度射极可减少硅片表面的电子空穴复合以提高电压。[page]
　　因此选择性射极技术兼顾了深结区域的银硅接触和浅结区域的电流电压输出， 而产生极佳的转换效率。
　　
选择性发射极实现更好的蓝光吸收
　　如下图所示, 金色部分维选择性射极的量子效率. 在大于600nm波长的时候,和标准射极时是相同的,但小于600nm波长时,选择性射极提供极显着的量子效率提升。蓝色三角形的区域代表透过选择性射极可额外增加的能量。视选择性电极的工艺能力, 此额外的能量至高可以帮助提升1%的转换效率
　　
　　以上为两种不同高效率电池技术的介绍，无疑的，我们认为提升电池及组件效率可帮助太阳能产业。因为提升效率可以降低电池、组件生产成本，也增加生产的收益。在2012年，我们期望藉由这些新的技术帮助电池效率实现18~20%，
　　在未来的五年，展望22~24%的效率得以进行量产。虽然太阳能产业面临许多的挑战，但通过电池技术不断的创新，我们仍然对光伏的未来极具信心。