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太陽能電池研發新進展

科景_96
・2011/02/10 ・617字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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Original publish date:Feb 18, 2010

編輯 HCC 報導

 

加州理工學院將矽奈米線(silicon microwires)應用在太陽能電池上,發現可以吸收射入陽光85%的光譜,效率與傳統式矽晶圓相當,不過僅需前者1%的矽材料。論文發表於2月14日的Nature Materials。

加州理工學院研究生Michael Kelzenberg等研究人員將矽奈米線裝在聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)平板上,垂直的矽奈米線能有效率的吸收從任意角度射入的陽光,不過正午垂直入射的陽光無法照到夠大面積的矽奈米線,所以研究人員在矽奈米線表面加上氧化鋁奈米顆粒,反射與散射陽光。

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Kelzenberg的實驗結果尚未進入太陽能電池的實際製造階段,參予研究的加州理工學院化學家Nate Lewis認為矽奈米線證明能吸收足夠的陽光,應能成為太陽能電池的候選材料。

IBM利用銅、鋅、錫、硒與硫等組合材料,製造了薄膜式太陽能電池,可以將9.6%的入射陽光轉為電力。IBM材料科學家David Mitzi 2月8日於Advanced Materials發表其研究成果,他們將CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜電池內的銦以鋅與錫取代,藉著硫與硒材料比例的變化,Mitzi團隊可以將kesterite(Cu2ZnSnS4)太陽能電池效率提升到40%,Mitzi認為增加硫成分確實可以增加電池的開路電壓(open-circuit voltage)。

IBM並無生產其所研發kesterite太陽能電池的計畫,興趣放在專利授權。Mitzi認為無論是矽奈米線與kesterite太陽能電池都應可以製成各式的彈性元件,包含可以編織成織物。目前Dow Chemical與Global Solar都利用CIGS薄膜電池製造太陽能屋瓦(solar roof shingle)以產生電力。

 

參考來源:

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要利用光能還是熱能?小孩子才做選擇,我全都要!——全光譜太陽綠能永續系統
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/22 ・6471字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/林承勳
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

有效利用太陽的光能和熱能

能源減碳已是國際趨勢,近年政府積極開發再生能源,逐年增加發電比例,而太陽能深具開發潛力。新興的鈣鈦礦太陽能電池是目前的研究熱點,不僅製造成本較低,單片發電效率已可達到 25%,逐漸趕上主流單晶矽太陽能電池的 26%。中央研究院「研之有物」採訪院內應用科學研究中心研究員朱治偉,他與研究團隊試圖開發一個小型的全光譜太陽能系統,讓光電轉換效率最好的波段被鈣鈦礦太陽能電池吸收,其他波段的光會穿過半透明的材料面板,抵達下層的集熱管,讓多餘太陽熱能可以回收再利用。

臺灣發展再生能源的關鍵:太陽能

太陽能是目前最為普遍的再生能源之一。近年來,臺灣的太陽能建設有逐步增加,且經濟部已訂下在西元 2025 年,國內再生能源發電量要佔總發電量 20% 的目標,其中太陽能發電量還要達到 20GW(1GW = 10 億瓦)的規模。

除了政府與業者的大型太陽能專案,太陽能發電對於公司行號或是一般社區大樓也有其誘因。樓頂架設太陽能裝置不但可以隔熱、防漏水,每年產生的電力也能由政府以較高的價格收購,創造額外利潤。然而太陽能發電在現階段還有許多缺點等待解決,像是發電裝置在購買設備時就必須先投入大量的建造成本,之後才逐年發電回收。

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太陽能發電裝置體積龐大、極占空間,以目前市佔率最高的單晶矽太陽能電池來說,裝置架設完成後就沒有辦法再任意移動,如果遭逢颱風或地震等臺灣常見的天災,無法搬至安全處的太陽能板很有可能受到嚴重損傷。此外,機器也要定期保養維修,否則當灰塵逐漸堆積、器材日漸老舊,發電效率也會一點一點地下降。

矽晶太陽能電池裝置昂貴、笨重且無法移動,需要定期清洗,否則當灰塵逐漸堆積,發電效率也會一點一點地下降。圖/iStock

好消息是,單晶矽太陽能電池笨重、易碎而無法隨意重組的缺點,在未來很有機會用新型「鈣鈦礦材料」來克服。鈣鈦礦材料可以做成薄膜,附著在可撓曲的軟性基材上。如此一來,鈣鈦礦太陽能電池可以收捲攜帶,便利性遠勝過單晶矽太陽能電池。

朱治偉舉高雄愛河上現有的電動船為例,船上架設的是單晶矽太陽能板,而光是一個面板就重達三十到四十公斤,二十片總共八百公斤。「船雖然能夠自主發電,但發電量還不夠驅動機台本身的重量。」朱治偉笑著說,如果用鈣鈦礦太陽能電池替代,不但能大幅減輕重量,在天氣不好時還能將發電裝置取下,騰出空間做其他用途。

朱治偉手持鈣鈦礦太陽能電池,單片面板就包含許多個元件,其中一小塊就是一個發電單元,端看目標電流與電壓來決定諸多電池要串聯或並聯。圖/研之有物

發電效率大比拼:鈣鈦礦電池 vs. 單晶矽電池

除了裝置的便利性之外,太陽能光電轉換效率也是使用時需考量的一大要素。朱治偉指出,單晶矽太陽能電池單片面板在實驗室的發電效率可達 26%,但進到後段模組後,由於需要多片、大面積組裝,並經由導線串聯和並聯,過程中都會產生電阻導致電量損失。實際運作起來,效率只剩下 22%~23%。

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鈣鈦礦材料的出現,讓單晶矽受到極大挑戰。以發電效率來說,鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的效率可達 25.8%,幾乎跟單晶矽不相上下。雖然鈣鈦礦技術還在研發階段,尚未真正投入市場應用,但以小面積材料測試的實驗數據來說,學界與業界都對其發展潛力寄予厚望。

鈣鈦礦材料的另一項優勢在於,原料非常容易取得,且生產過程耗能與成本都相對低廉。「相較之下,目前發電效率稍微占優勢的單晶矽,是個高耗能、高污染的產業。」朱治偉指出,光是要提煉出矽元素,就得先用高溫把原料的砂熔化,接著在昂貴設備的高溫環境中緩慢結晶。

「而且單晶矽材料對於缺陷的容忍度很低。」朱治偉補充說道。所謂缺陷容忍度,就是材料在結晶時,有缺陷出現對於功能、效率的影響程度。

單晶矽在結晶過程中,原子排列越整齊、純度越高,缺陷就會越少,如此一來,電子在整齊的晶格裡可以很順暢地流動;一旦晶體排列不整齊、有缺陷產生,電子流動就會受到阻礙,讓材料發電效率變差。單晶矽對於缺陷的容忍度很低,缺陷會嚴重影響到單晶矽電池發電效率,因此結晶純度要求 99.9999% 以上。

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當矽結晶完後接著要切成薄片,切片時會損耗材料並產生大量粉塵,切完還得進入複雜的半導體製程,不但需要高溫且耗水,還需使用到有毒溶劑。雖然科技廠會將高汙染的排放物先處理到合乎排放標準,但這些製程都需要投入大量的能源跟水。

單晶矽的製程需要耗費大量的能源和水,而且單晶矽對於缺陷的容忍度很低,為了不影響太陽能電池發電效率,結晶純度要求到 99.9999% 以上。圖/Wikimedia Commons

鈣鈦礦材料:高缺陷容忍度、高發電效率、溶液式製程

鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高,即使結晶缺陷是單晶矽的幾百、幾萬倍,都還能有很高的發電效率。「而且鈣鈦礦電池在天氣不好、低照度或是室內時依然能夠持續發電。」朱治偉提到,單晶矽電池在陰天幾乎完全不發電,而鈣鈦礦電池受影響程度較低,仍可繼續發電。

另外,單晶矽電池基本上沒辦法在室內使用,因室內照明環境為低照度、光的波段很狹窄,整體能量會偏低。但是鈣鈦礦電池不但可以使用,其轉換效率可達 30% 以上,可以驅動電力需求低的元件,例如物聯網裝置等。

「更方便的是,鈣鈦礦材料可以溶解在有機溶劑裡。如果使用溶液製程,就能快速、大面積的製作。」朱治偉提到,等到未來技術成熟,就像是在印刷報紙一般,將含有鈣鈦礦材料的溶劑當作墨水,用印刷方式就能快速生產太陽能電池。

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設備建造簡易、材料取得方式環保,如果還能大面積快速印刷來降低製作成本,鈣鈦礦太陽能電池可以說是集各種優點於一身。

不過,鈣鈦礦電池還是有些缺點亟待改善,像是本身材料的穩定性,導致電性上會出現遲滯現象,造成發電量有不穩定、時高時低的問題。此外,由於鈣鈦礦材料是離子材料,一碰到水就會解離,解離後會縮短使用壽命。

鈣鈦礦材料是一種離子材料,結構通式為 ABX3,A 和 X 的位置會分別放入陽離子和陰離子,B 的位置通常會放鉛離子。離子材料在有水氣的環境中容易降解。圖/研之有物

朱治偉指出,想要避免水分接觸到鈣鈦礦材料,能用封裝技術來解決。而穩定性問題則要在一開始長晶時著手。像是藉由添加其他離子促進長晶品質,讓結晶更加緊密結合。只要長晶時越整齊、缺陷越少,電子就能輕易地被導出,電流高、效率穩定,遲滯現象就能減少。「鈣鈦礦太陽能電池還有一個問題,就是裡面含有微量的鉛元素。」朱治偉說,雖然使用量非常少,但鉛終究是有毒的物質,若外洩還是有可能對接觸者造成傷害。目前同樣可以用封裝技術來避免鉛元素外漏,但期待未來有機會能找到其他安全的元素來替代鉛的角色。

小孩子才做選擇,我全都要!

太陽光的波長​分佈從 300 到 2700 奈米都有。一般單晶矽太陽能電池只能吸收 300 到 1100 奈米的光,1200 奈米以上的波段皆無法利用,有些被反射到環境當中,有些則是轉換成熱能。

熱能累積在矽晶板裡面,會影響發電效率。「矽晶板溫度每上升 1°C,效率就下降 0.3%。」朱治偉指出,大太陽底下矽晶板的溫度會達到約 80°C,比室溫高約 50°C 左右,這將導致發電效率降低 15%。

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相較於不透光的矽晶板,鈣鈦礦太陽能電池能做成半透明的薄膜,將透過的陽光做其他運用。因此,中研院全光譜太陽綠能永續計畫採用的組合是:半透明鈣鈦礦太陽能電池搭配集熱管,以便充分利用太陽能。

「我們用新開發的分光鏡,從 800 奈米波長的地方將太陽光一分為二,800 奈米以下的光直接給鈣鈦礦太陽能電池發電,800 奈米以上的光讓集熱管吸收,產製出熱水。熱水經過吸附式致冷系統(absorption chiller system),透過巧妙的蒸發原理設計,將外部冷水致冷,產製出冰水供大樓使用,剩下的溫熱水則供日常盥洗使用。」朱治偉說道。

用 800 奈米劃分,因為鈣鈦礦太陽能電池在 300 到 800 奈米這段波長時,約有 90% 的光電轉換效率。而 800 奈米以上的波段經集熱管轉成熱能,效率可達到 97%~99%;反之,800 奈米以下的光熱轉換效率則不佳。

全光譜太陽綠能永續系統示意圖。圖/研之有物(資料來源/朱治偉)

將不同波長的光,導向適合的元件

上面提到的「分光鏡」,全名為平面光譜分光模組,這是中研院開發的實驗模組,使用具有光波長選擇的導光板,將不同波長的光導向適合的元件。

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這種導光板的作用原理,是經由奈米結構設計來決定要將哪些波段的光引導到哪個方向。在全光譜太陽綠能永續計畫中,是以 800 奈米的波段來區分。

把導光板鋪在太陽能集熱管上,800 奈米以上的光就穿透導光板照到集熱管,800 奈米以下的光就回收,引導到側邊,照在鈣鈦礦光電轉換元件上。

「將鈣鈦礦太陽能電池做在可撓曲的面板上,搭配時就能增加很多使用彈性。」朱治偉提到,脆弱的單晶矽電池受到重壓或劇烈震動就會碎裂,但是鈣鈦礦電池的機械性質很好,結構不易被破壞。

即使大樓樓頂有障礙物,或是要根據導光板的設計在不同方位擺放太陽能電池,鈣鈦礦電池都可以彈性搭配,使用時攤開、不用時就收捲起來。而且鈣鈦礦電池還可以依物體的弧度來配合製造,很適合用在 3C 產品、汽車、電動車的充電上,未來發展具備各種可能性。

目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統,而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中,也證明小面積發電確實可行。

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不過,想要量產出大面積的鈣鈦礦太陽能電池,單靠學界的製造能量來說有些困難。國內雖然有廠商在研發鈣鈦礦電池,大多沒有真正投入量產。「歐洲跟美國的公司願意投入大量經費研發產製;臺灣普遍的氛圍是傾向等待有明確的研究成果出現,再加入量產行列。」朱治偉說。

圖中機器為吸附式致冷系統。目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統,而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中,也證明小面積發電確實可行。圖/研之有物

科技帶來改變,前景令人期待

與世界各國相比,臺灣電價相對便宜,且用電量相當龐大。根據經濟部能源局的統計資料, 2021 年臺灣總用電量超過 2800 億度,而目前臺灣發電有將近八成是使用化石燃料的火力發電。低電價導致缺乏節電誘因,高用電需求又使火力發電持續高碳排。根據 Our World in Data 資料,2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸,為全世界人均排放量的 2.52 倍,名列第 22 名,人均排放量高於日本、德國、新加坡與法國。

2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸,為全世界人均排放量(4.69 噸)的 2.52 倍,名列第 22 名,人均排放量高於日本(8.56 噸)、德國(8.08 噸)、新加坡(5.47 噸)與法國(4.74 噸)。圖/Our World in Data

以臺灣的國土面積與經濟規模來說,如此高碳排量代表臺灣的減碳之路還有很大的努力空間。朱治偉指出,目前國內能源有 97% 倚賴進口,若是不努力研發再生能源,對於經濟發展或是國防安全都不會是好現象。

以地熱來說,菲律賓地熱技術的起步比臺灣晚,發展卻非常成功。「臺灣跟菲律賓的地形很相似,發展地熱應該也非難事。」朱治偉表示,即使有學者認為臺灣難以發展再生能源,但在科技發展之下,很多事情都有可能發生。

朱治偉舉例,2014 年得到諾貝爾物理學獎的發光二極體(LED)技術,就是一個科技改變世界的範例,人類得以用新的方式產生高亮度白光。LED 的耗電量僅有白熾燈泡的十分之一,大大改變光照能源的運用。

朱治偉樂觀地指出,就算當前被評估不可行的地熱、風能或海洋能,只要科技持續進步都有機會逐漸實現,新興的鈣鈦礦太陽能電池也是科技進步的一個見證。

鈣鈦礦電池在 2009 年被日本科學家發現時,發電效率其實只有 3%;十年過後,鈣鈦礦電池卻即將追上單晶矽電池發展近百年才達到的效率規模。而且鈣鈦礦材料還可以添加其他離子元素,產生結構變化來影響電性或光性,這個特點讓鈣鈦礦電池未來的發展潛力無窮,也是單晶矽電池完全無法比擬的。

「雖然有些學者不看好,但我相信日新月異的科技在未來能夠改變現狀,讓環境問題慢慢得到改善。」朱治偉說。

聽說高溫會影響太陽能電池的效率?

太陽能電池效率會隨著溫度的上升而下降,下降程度與選用的材料有關。因此太陽能電池效率的標定均在攝氏 25°C。

一般來說,太陽能電池每升高 1°C,會降低整體效率的 0.4% 至 0.5%。溫度過高不僅會降低太陽能電池的效率,也會減低其使用壽命。為了降低溫度過高的影響,建議安裝太陽能板時盡量在底下預留足夠的通風空間,來提高散熱效率。

近期科學家開發出新穎的水凝膠材料,將其貼附於太陽能板背面,利用晚間從大氣吸收和儲存水分。當白天太陽能電池溫度升高時,儲存在水凝膠中的水分便會蒸發,從而降低太陽能板的溫度,如此就可以維持太陽能電池的發電量與延長其使用壽命。

目前的鈣鈦礦電池並不穩定,未來可以如何改善?

鈣鈦礦薄膜材料在形成的過程中,不可避免地會形成大量的淺層能階缺陷(如元素空缺、間隙缺陷和反位替代)與深層能階缺陷(如元素錯位、晶界和沉澱物)。鈣鈦礦薄膜材料雖然可以容忍比較多的缺陷,但是這些缺陷就是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩定的最主要因素。

目前在改善鈣鈦礦材料穩定性的研究方向,大致分為兩類:第一類是改變薄膜製程方式來降低缺陷的形成,如兩步驟成膜方式(two-step method)和反溶劑(anti-solvent)製程。第二類是開發多功能分子,鈍化鈣鈦礦材料中不同類型的缺陷,例如以路易斯酸與路易斯鹼、烷基胺鹵鹽、兩性離子、無機鹽類和離子液體來鈍化缺陷。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

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移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

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用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

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前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

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另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

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E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

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Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

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總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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從「自動化」進化成「智動化」——智慧製造是半導體產業的未來趨勢
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・3611字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 文/曾繁安

台灣擁有傲視全球、成熟完整的半導體產業聚落,在世界科技領域中扮演舉足輕重的角色。這個國家的經濟命脈,經過全自動化的時代後,即將迎來另一次生產技術的大變革——智慧製造。

當訂單越來越多,人力卻不夠,半導體業者該怎麽辦?

半導體產業包含了矽晶圓[註]、相關化學品與氣體及導線架等封裝材料,其中又以晶圓厰為大宗,例如台積電便是全球規模最大的晶圓代工厰。素有「現代科技應用的大腦與心臟」之稱的半導體,是現代多數電子產品的核心單元,因為各項產品正是利用半導體電導率變化的特性來處理資訊。然而,目前半導體製造業卻面臨人力資源跟不上產量需求提高的挑戰。

晶圓是積體電路製程中的載體基片。圖/wikimedia

一般半導體廠場域面積大,人力短缺使企業面臨管理人手吃緊,再加上人員進出無塵室的過程繁瑣耗時,也是另一大負擔。與此同時,在廠內儀器參數比對和規劃生產計劃上,傳統人力也可能有出現誤差的風險。疫情時代也促成在宅經濟和 5G 應用的高速發展,各領域對晶片的需求大增,造成半導體產業出現產量需求高,但人力短缺的現象。

因此對不少業者而言,可有效緩解人力不足、大幅提升作業效率的數位轉型(Digital Transformation),可謂勢在必行。

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從「自動化」升級到「智動化」的智慧製造

那半導體產業的數位轉型,該怎麽做?所謂數位轉型,不僅僅只是將資料或作業數位化,還包括導入人工智慧(Artificial Intelligence,簡稱 AI)與數位科技,來改變企業的整個營運生產模式。AI 指的是電腦程式可模擬人類思維過程的能力,而在 AI 概念下的機器學習(Machine Learning,簡稱 ML),即為機器可以根據已收集的大量數據,經由建立模型對新數據進行推測,學習找出最佳解、改善效能

結合 ML 的製造執行系統,需搭配裝置在工廠各處的多個傳感器(Sensor),來收集與回傳各樣的生產數據。它們與工廠設備的相互連接,即是運用了物聯網(Internet of Things)的技術。有賴於 5G 科技的發展,數據可以達成高速率傳輸與低延遲,使得機器與機器之間可以達成溝通,在整合分析各方數據資訊後,有效率地完成各種指令操作,可以比自動化製造系統,更進一步為人類代勞工廠運作的大小事務。

舉例來説,當工廠的生產過程出現問題,自動化系統只會跳出異常通知,還是需要仰賴人員來進行手動排除;但換作應用 ML 系統的話,便可透過自我學習,來自動調整製作流程以解除異常狀況,無需人力介入便可自主解決,提升良率,達成「智動化」智慧製造(Smart Manufacturing)的最終目的。

機器可以根據已收集的大量數據,經由建立模型對新數據進行推測,學習找出最佳解、改善效能。 圖/elements

懂得精益求精、提高品質產量的智慧工廠

一座運用智慧製造的半導體工厰,不但能自主克服製程中的疑難雜症,更能幫助提高晶圓的產量品質。在研發方面,AI 可以協助理解高複雜、高維度的製程開發挑戰,也可與 ML 軟體分析感測資料和檢測影響,進行品質管理與缺陷檢查。

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此外,數據治理和數位分身,也是智慧製造的關鍵策略。對企業整體的數據進行管理和控制以提高數據的價值將因為數據產生的成本風險降到最低,是數據治理(Data Governance)的核心精神。

在兼顧資訊安全下,數據治理的體系能使跨部門間的數據共享更為方便暢通。輔以 AI 及 ML 的運算,便可以使業務部門的客戶需求、供應鏈管理等資料,與工廠生產部門的設備控制與品管等流程,有更迅速緊密的配合,規劃好合適的未來生產計劃,指導人員進行相關作業。

如同我們可以在電玩游戲或社交媒體上,按照自己的個人形象,來打造自己的虛擬化身,工厰也能藉助現今的科技,來為產品的物理實體,在資訊化平臺或系統的虛擬空間中,打造一個類比實物數位分身(Digital Twin)

數位分身模型之概念圖。圖/wikimedia

數位分身也是物聯網的應用之一,半導體廠中,由傳感器所收集到的晶圓製造數據,在 AI、ML 和軟體分析的協助下被整合,對映成數位空間中「雙胞胎」的存在。這位孿生兄弟不僅能夠隨物理實體的變化而即時做出相應變化,還可以提供無法在實體產品上測試計算的數據。

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理想情況下,數位分身可以經由機器學習,分析過去的歷史資料或多重來源的數據,來推估實體的未來情境。因此在危機或異常事件發生前,業者便可預先進行預測性的設備維護與產品的良率分析,比起傳統人力的判斷更加精確,降低技術風險,大大提高生產效率。

工業 4.0 浪潮來襲,智慧製造是產業未來趨勢

運用通訊科技、資料庫和電腦系統達成全自動化生產,已不是新鮮事,如今人類社會正迎來第四次工業革命的新一波浪潮。主打網絡與機械相互連接的核心精神,導入人工智慧、機器學習、物聯網感測與大數據分析等人機協作的智慧製造,是因應多變市場需求的時下趨勢。

在半導體領域中,企業龍頭台積電可説是數位轉型的成功案例,從二十年前的全自動化製造系統,如今致力於打造組織內部友善 AI 的工作環境,努力向智慧製造全面轉型。數位轉型的技術支援不能沒有半導體產業製造的晶片,而如今數位轉型也有望帶領半導體產業突破產能吃緊、人才短缺的困境,走向智慧製造的新紀元。

以台灣在地企業的智慧製造覆蓋率而言,就已在短短 6 年內成長 50%。舉全台最大的國際半導體展 SEMICON Taiwan 為例,智慧製造相關的展商在近六年內的成長幅度也同樣攀升了 50%。

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今年高科技智慧製造特展將以歷年最大規模之姿登場,與全台最大半導體盛宴 SEMICON Taiwan 2022 國際半導體展同期同地舉辦,匯集橫跨高科技製造業智慧製造解決方案業者、系統整合、軟硬體商及智慧製造需求端業者,如盟立自動化、倍福自動化、家登精密、攝揚企業、日商 JEL 等不容錯過。

今年高科技智慧製造特展將以歷年最大規模之姿登場,與全台最大半導體盛宴 SEMICON Taiwan 2022 國際半導體展同期同地舉辦。圖/SEMI

因應疫情下數位轉型成為全球企業的重要任務,今屆展覽中的「高科技智慧製造論壇」將由美光科技、 Lam Research、 Rockwell Automation、Siemens 等知名企業專家以人工智慧工廠為主軸,探討 GEC 技術藍圖,內容包含五個部分包含數據管理、智能分析、數位分身預測等重點實務經驗分享,從晶圓厰到設備製造商和解決方案提供者的角度,讓參與者得以探究 AI 智能工廠的前景和挑戰,跟上數位轉型的步伐。

除了智慧製造議題,展覽期間共有超過 20 場重磅級的國際趨勢論壇,豐富主題涵蓋先進製程、異質整合、化合物半導體、車用晶片、永續製造、半導體資安及人才。論壇將在今年 9 月 13 日率先開幕,展覽則於 9 月 14 日至 16 日於臺北南港展覽館一館盛大開場,規模創歷年新高,届時將有 700 間國內外指標性大廠共襄盛舉,現場將有 2,450 個攤位展出,完整串聯全球半導體供應鏈,目前展會參觀與論壇皆已開放報名,參與席次有限,有興趣者趕快手刀至官網報名起來!

註:晶圓(Wafer)是半導體晶體圓形的簡稱,是從半導體材料如最常見的矽,經過拉製、提煉等一系列處理過程,製成的圓柱狀半導體晶體經過切片、抛光而來。這些圓形薄切片被用於積體電路製程中的載體基片,也可用來製作太陽能電池。

參考資料

  1. 半導體是什麼?晶片產業一次看懂
  2. About SEMI Smart Manufacturing initiative
  3. 【獨家披露】台積電數位轉型的下一步,靠AI推動全面轉型(上
  4. 【獨家披露】台積電數位轉型的下一步,靠AI推動全面轉型(下)
  5. 泛科學:每分鐘 15 次的駭客攻擊,5G 世代的臺灣資安挑戰——資安所王仁甫策略總監專訪
  6. Data Governance – 臺灣人工智慧行動網
  7. 「數據治理」:人工智慧企業的基本功
  8. 科技大觀園:從全自動化製造邁向智慧製造
  9. 聯剛科技股份有限公司
  10. 【新興領域:9月焦點8】數位分身(Digital Twin)技術發展趨勢與不同層次應用模式
  11. 半導體資安的新挑戰!後疫情時代,如何全面打造半導體供應鏈數位韌性
  12. 工業4.0大全,從淺到深一篇搞懂它!
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