製造矽晶太陽能電池需要真空基礎的解決方案
作者：Katherine Hutchison, Peter Holland, Edwards, Santa Clara, California, USA 日期：2008/7/29 來源： 半導體科技 製造矽晶太陽能電池時，許多關鍵的製程步驟都需要真空設備的支援，例如單晶矽成長、多晶矽成長，以及在矽晶圓上沈積薄膜等步驟。以乾式幫浦為基礎的真空系統在成本計算(cost-of-ownership, CoO)時，可以得到最佳的製造效益。注意真空系統的重要性將可大幅降低成本，最終創造太陽能電池的收益以及擴張市場成長的空間。
太 陽能正快速成為可行的化石化燃料替代品。儘管目前太陽能僅佔全世界電力的一小部分，但是這個比例預計在2040年前將成長到10%以上。有限的石化燃料以及他們對環境的負面影響正驅使太陽能科技發展，但是它能否成功的關鍵在於太陽能是否能像其他能源一樣具有經濟效益。雖然太陽能每瓦發電的總成本下降因產量增加大到足以於經濟規模和製程最佳化等因素獲得優勢，然而降低成本仍然是所有太陽能電池製造商的首要任務。大體而言，經濟規模的形成可以歸因於更有效地配置固定成本，例如資本成本，從而增加變動成本的的相對貢獻，例如設備維護、停機時間以及耗能。
製造太陽能電池通常涉及於真空下進行的製程步驟以維持清潔度，或是提供適當的製程條件。類似於1980年代產業界對半導體產業界對設備的需求，新設的大型太陽能電池製造廠需要具有成本效益的真空設備以應付有害物質與製程衍生物(byproducts)對工作人員與環境的風險。將工廠內真空系統最佳化，特別針對於降低循環和變動成本對全面CoO的考量下，可以明顯地達到降低製造成本的目標。
量產中的太陽能電池有三種主要分類：以矽晶圓為材料(也被稱為矽晶，crystalline Si，或是c-Si)，以複合結晶 (聚光型太陽能，concentrator PV)為材料，以及薄膜太陽能元件(thin-film solar, TFS)。矽晶太陽能元件是目前的主流技術，佔所有產出元件的80-85%。近來由於太陽能級矽晶圓的持續缺料，以及薄膜技術的提升，TFS已經成長到世界產量的15-20%。複合結晶太陽能電池是以複合式半導體材料為基礎，效率高，但是由於成本高的緣故，它的應用被限制在太空梭或是其他特定專業的領域中。
雖然不同的太陽能電池製造商在元件上有不同的設計，但是通常c-Si太陽能電池裡包含被正面與背面金屬所包夾的p-n接面 (圖一)。這些太陽能元件通常含有一層氮化矽(silicon nitride)材料，鋪在矽晶圓的上表面以作為抗反射層(antireflective coating, ARC)，可提高元件的光吸收量。另外還有一層覆蓋層(passivation layer)以掩蓋矽晶圓裡的塊體(bulk)缺陷。通常c-Si太陽能電池以單晶或多晶晶圓製作，但是也有一些製造商以矽緞帶(ribbon)的方式來減少矽的使用量，進而降低他們的成本。
圖一：太陽能電池是具有p-n接面的元件，允許經由光產生的電流在單一方向上流動。接面通常是以在p型晶圓上擴散n型雜質的方式來構成。
在c-Si製造過程的前幾個步驟中，高潔淨的矽晶棒是來自於Czochralski單晶矽晶棒成長法或是以鑄造(die-casting)/爐管多晶矽晶棒成長法。以單晶矽晶圓製成的太陽能電池比多晶矽晶圓製成的電池具有更高的效率。摻雜物是在晶棒成長的過程中加入的，以形成p型晶圓(缺乏電子)或是n型晶圓(充滿電子)。多數c-Si太陽能電池採用p型晶圓，但是也有一些公司使用n型晶圓(製作異質接面或是HIT PV元件)。之後晶棒會被切成非常薄的晶圓，厚度約在180到240μm，然後再經過洗滌、破裂檢視以及分類等動作。
在上述的製作過程中，真空幫浦必須能夠在塵埃密佈的環境中可靠地運轉，因為結晶成長機每週會產生數公斤的單氧化矽(silicon monoxide, SiO)微粒。若使用濕式幫浦，微粒會與潤滑油混合侵蝕內部零件。週期性的更換潤滑油以及過濾器可以舒緩這些問題，但是即使很辛勤地做維護工作，濕式幫浦仍需要頻繁地進行維修的工作。如果濕式幫浦在結晶成長的過程中發生卡住的情形，潤滑油會回流到結晶成長機中，設備停機的代價將很可觀。矽晶棒的製造商正建造大型設備環境來容納更多的結晶成長機，以因應越來越多製造太陽能電池晶圓的需求。也因此，維護這些成長機中的油封(oil-sealed)幫浦成了一項昂貴而且困難的後勤挑戰，例如週期性維護會造成長期停機、需要儲存大量的備品、需要儲存廢料與廢油、還有需要僱請許多技術人員。
矽元件製造商在拉晶機(crystal puller)以及成長爐管中使用乾式幫浦的趨勢越來越明顯，因為乾式幫浦的總CoO顯著的減少。它們天生潔淨，而且避免幫浦油污染結晶成長器的風險。特別設計過的乾式幫浦可以應付大量粉塵的問題，因此大幅降低維修成本以及提升設備的可用性與生產力。
在晶圓製造完成後，下一個步驟是在晶圓上形成太陽能電池。第一步是織構(texture)晶圓表面以增加作用區(active area)的面積。下一步是摻雜與擴散製程，也就是在p型摻雜的晶圓上形成一個n型(充滿電子)層以構成p-n接面。之後在n型摻雜層上覆蓋一層磷化矽石玻璃(phosphorous silicate glass, PSG)，然後以濕蝕刻或乾蝕刻的方式去除。
乾式蝕刻所用的真空幫浦必須能夠處理高腐蝕性氣體，同時維持高氣體流量以及低壓環境。磁浮式渦輪分子幫浦(magnetically levitated turbomolecular pump, mag-lev TMP)是特別針對惡劣環境所設計的，正適合應用在上述惡劣環境中。這些磁浮式渦輪分子幫浦的零件通常覆蓋有保護膜，因此可以抵抗腐蝕氣體的侵蝕。它們幾乎不需要維修保養，因為它們不使用機械軸承，所以不需要潤滑油以及定期更換零件。
先進的TMP轉子是完全以磁浮的方式懸浮在空中(圖二)，所以在轉子以及定子之間完全沒有接觸。這種方式有效地避免摩擦耗損以及震動問題，因此維修週期可以長達五年之久。另一個採用磁浮方式的優點是它不需要潤滑油，所以不會出現在腐蝕環境中因為氧化現象而產生比預期早的毀壞問題。
圖二：此處顯示磁浮渦輪分子式幫浦的剖面圖。由於轉子與幫浦間沒有接觸，磨擦耗損與震動狀況可以減到最低。
在去除PSG以後，在元件的正面覆蓋一層氮化矽以減少反射(ARC)，同時也能覆蓋表面。通常這一層材料是以電漿加強式化學氣相沈積(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)或是物理氣相沈積(physical vapor deposition, PVD)所構成。PECVD所用的氣體以及副生成物，例如SiH4、NH3、F2、H2以及HF，都具有可燃性、有毒性而且有很大的安全性風險。同時也會產生大量的粉塵，讓真空幫浦處於一個惡劣的環境中。濕式幫浦通常不適合此類應用，因為大量的粉塵會加速幫浦內部零件的耗損，而且環境中的腐蝕性物質會加速密封油品質的退化。合成油或可減緩退化的問題，但是仍然需要週期性的更換。這些油不僅昂貴，而且更換的動作對維修人員而言具有潛在的危險。乾式幫浦有經過特別設計，可以抵抗腐蝕以及處理粉塵，對這類的應用而言是更佳的選擇。
瞭解乾式幫浦內機械原理的細節也是很重要的。有一種所謂的勾爪設計(hook and claw)，安裝在乾式幫浦內，可以有效的將微粒從幫浦傳送到排氣系統。反轉的中央爪區域會縮短氣體路徑，以減少微粒以及腐蝕性物質的停留時間到最小的程度。多點式氮氣噴洗系統能稀釋腐蝕性氣體的濃度，同時加速固態物質的傳送。
雖然網版印刷(screen printing)是目前沈積背面電極以及反射層的主要技術，PVD也越來越常被使用在這類應用以及沈積ARC/覆蓋層。它提供低CoO，同時具有高生產率以及薄膜品質。PVD製程必須維持高真空度(<5mTorr)，同時允許製程氣體的流通。太陽能PVD應用通常使用擴散幫浦或是渦輪分子式幫浦；這兩種幫浦需要前段幫浦(backing pump)的協助以提供它們運作時所需要的低壓真空管(sub-atmospheric foreline)環境。
一個設計精良的TMP解決方案可以提供PVD製程顯著的好處。因為TMP能忍受至少兩倍於擴散幫浦的前端真空管的壓力，所以TMP結構可以使用較小的輔助幫浦。高生產率的TMP最多還能減少高真空幫浦的數量達50%。TMP消耗的能量少於擴散幫浦的十分之一，它維修的週期可長達五年，而擴散幫浦需要經常性地更換昂貴的潤滑油。
在鋪上背面反射層以及接觸層以後，太陽能電池就製作完成，而晶圓則送到模組線上進行處理。在這步驟中，晶圓會進行電性連結(固定與佈線)，接著予以密封以避免環境的污染。密封材料通常是乙烯-醋酸乙烯脂(ethylene vinyl acetate, EVA)，在高溫真空的環境下進行密封。就如同許多製程一樣，EVA外洩的材料會使濕式幫浦裡的潤滑劑退化。而乾式幫浦的維護成本較低，可用性較高，因此其整體成本可以顯著地降低。
圖三：在PVD艙中不用擴散幫浦，而改用高產率的渦輪分子式幫浦可減小輔助幫浦(backing pumps)的尺寸並且減少高真空幫浦的數量。
結論
真空幫浦是製造結晶矽太陽能電池不可或缺的關鍵設備，從晶圓製造到最後的層壓(lamination)作業都需要它。針對每個步驟選擇適當的真空技術是件複雜的工作，但帶來的好處在於降低前端(up-front)成本、減少能量耗損、降低維修需求，以及提高對人員的安全性。
作者
Katherine Hutchison從加州大學聖塔芭芭拉分校取得材料博士學位。在Edwards公司中擔任全球新興市場產品經理。地址是3901 Burton Drive, Santa Clara, CA 95054 USA。電話：800/848-9800, ext. 2237。電郵: Katherine.Hutchison@edwardsvacuum.com
Peter Holland從倫敦國王學院取得化學學士學位。擔任美國Edwards公司的區域事業經理。
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