太陽能電池評估的觀察與分析
近年來以預防地球暖化等環境保護為目的，減少消費石化燃料和活用太陽能發電越來越盛行。使用太陽能電池的主要優點，包含只要曬得到陽光，就可以取得乾淨且無限量的能源。而且發電效率不受設備規模左右，只要能取得陽光，幾乎任何安裝場所都能取得能源，因此需求也越來越高。
在此介紹由太陽能電池動作原理、結構等基礎知識，到高精細觀察與高精度量測、分析和定量評估、以高效率實現上述項目的應用案例。
- 太陽能電池動作原理、結構、轉換效率
- 太陽能電池的觀察、量測、分析、評估課題
- 實現太陽能電池的觀察、量測、分析效率化和定量評估的數位顯微鏡最新案例
- 改變太陽能電池觀察、量測、分析、評估常識的4K數位顯微鏡
太陽能電池動作原理、結構、轉換效率
現在市場流通中的太陽能電池主流為「矽太陽能電池」和「化合物半導體太陽能電池」。目前主流使用中的太陽能電池為矽太陽能電池，約佔了半數以上。但在製造成本方面具有優勢的化合物半導體太陽能電池，市占率也越來越高。在此說明太陽能電池基本動作原理和結構、矽/化合物半導體太陽能電池各自的代表性材質和轉換效率。
太陽能電池動作原理
廣受主流採用的矽太陽能電池，內部結構就是重疊不同電性的2種（P型、N型）半導體。
陽光照射到太陽能面板，會發生電子（−）和電洞（＋）。電洞會被吸到P型半導體側，電子則被吸到N型半導體側。舉例來說，將正面和背面的電極連接燈泡等負載後，就會產生如下圖所示電流。
- A：抗反射膜
- B：N型矽
- C：P型矽
- D：電極
- E：電流
太陽能電池結構
用下圖顯示太陽能電池結構和各部位名稱，說明部位與形態的名稱。
- A：電池
- B：模組
- C：陣列
- 電池
- 太陽能電池的最小單位。
- 電池串列、電池陣列
- 一片電池的輸出電壓低，為得到必要電壓，串聯數片電池，稱為電池串列。
為得到必要輸出，串聯或並聯數片電池串列，稱為電池陣列。
- 模組
- 為能在戶外使用，將電池陣列封裝後成為模組，也稱為太陽能面板。用樹脂或強化玻璃保護內部的電池等，為了確保強度而裝入外框的狀態。
- 陣列
- 連接排列數片模組成為陣列。
關於太陽能電池的轉換效率和材質
「轉換效率」對太陽能電池的性能規格相當重要。轉換效率是指入射的太陽光能中，被轉換成電能的比例數值。太陽能電池的轉換效率指標，以「模組轉換效率」和「電池轉換效率」二者最具代表性。以下將分別說明。
- 模組轉換效率
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做為顯示太陽能電池模組（太陽能面板）發電能力的指標，一般使用模組轉換效率。模組轉換效率是指每1 ㎡的太陽能電池模組，可將約1 kW的光能轉換成幾％電能的數值，可用以下算式求出。
- 電池轉換效率
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構成太陽能電池模組的最小單位構成零件為電池。電池轉換效率是顯示每1片太陽能電池的轉換效率的指標。電池轉換效率可用以下算式求出。
隨著不斷研發，模組和電池的轉換效率年年提升。但現代的技術因為太陽能面板的光反射和電池本身的電阻等，不可能100％吸收入射光能，並將其全部轉換成電能。
- 太陽能電池的材質和特徵
- 在多樣化用途與多功能化、成本考量下，太陽能電池使用各式各樣的材質，而轉換效率也不同。因此各公司為了提高轉換效率和降低成本，正致力於研發素材與製造方法。
以下從矽、化合物半導體的分類，說明各自的代表性材料和特徵。
- 【矽】
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- 單晶
- 使用單晶矽成本很高，但同時卻有高轉換效率和可靠性。
- 多晶
- 多晶矽比單晶矽成本低，因此最為普及。
- 非晶矽
- 阻止矽的結晶化，因此成本比多晶矽更低，但轉換效率也因此變低。
- 多接合型
- 積層非晶矽與薄膜多晶矽等不同的太陽能電池，成為堆疊結構，具高轉換效率。
- 【化合物半導體】
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- CIS
- 以銅、銦、硒為原料，低成本又具有較高的轉換效率。
- CIGS
- CIS太陽能電池加入鎵，由4元素組成。比起CIS太陽能電池，轉換效率略高。
- CdTe
- 以鎘和碲為原料，在歐美普及。
- GaAs
- 以鎵和砷為原料，具優異的轉換效率，但價格高昂。用途包含人造衛星等。
太陽能電池的觀察、量測、分析、評估課題
太陽能電池產業因為環境保護必要性和可再生能源需求增加，各公司都競相努力研發，以求實現更高的轉換效率和降低成本，開闢新市場。而要供應穩定的太陽能發電、蓄電產品，以及在售後服務保持信賴，就必須有高水準的品質保證與品質管理。
另一方面，太陽能電池的結構上，為了增加表面積而導致表面形成凹凸。而且各部位會混入不同顏色與光澤的材質，因此要正確觀察、量測、分析不良品或試作品的細微電極等，是會花費大量時間的高難度作業。
用以往的顯微鏡進行的觀察與量測、分析等作業，要花費大量時間和人力，而且也必須有高熟練度。再加上用尺規進行目測，量測值會因作業者而產生人為誤差的課題。
此外，用掃描式電子顯微鏡（SEM）進行截面觀察，要花費大量時間和人力進行事前準備，而且不能進行彩色觀察，難以鑑定不良部位的材質與異物。
實現太陽能電池的觀察、量測、分析效率化和定量評估的數位顯微鏡最新案例
近年來隨著數位顯微鏡的技術進步，已經可以解決以往顯微鏡的各項課題，讓觀察、量測、分析等作業大幅提升效率。使用最新的數位顯微鏡，透過自動輔助功能，可輕鬆實現逼近SEM的高精細影像觀察太陽能電池細部，及高精度2D、3D尺寸量測、粒子計數。
實現簡單、高功能的KEYENCE超高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」，透過最新的高解析度HR鏡頭、4K CMOS、照明、影像處理技術帶來的清晰影像，與正確的尺寸量測，對於太陽能電池的觀察、量測、分析到編製報告為止的作業，只要1台即可實現壓倒性的效率化。
在此介紹使用「VHX系列」的太陽能電池觀察、量測、分析案例。
電極的3D形狀量測
要提高太陽能電池的轉換效率，一方面要極力縮小電極寬度，也必須抑制高度。若使用黃金等高價材料為電極時，縮小體積有助於降低成本。
以往顯微鏡很難正確量測微小電極的形狀，更不可能瞬間量測3D形狀。
使用4K數位顯微鏡「VHX系列」，可由高精細的放大影像直接量測微米級的3D形狀。色圖可將高度資料可視化，同時還可量測多個指定部位的輪廓，因此可輕鬆比較各部位的細微形狀。
不良部位的截面試料觀察
以往的顯微鏡用高倍率放大研磨樹脂鑲埋觀察面的截面樣本時，試料表面只要殘留些微凹凸，就無法對整體對焦並清晰的觀察。此外如果用掃描式電子顯微鏡（SEM），則必須花時間和人力進行事前準備，抽真空讓試料室成為真空或低真空狀態等，還無法用彩色影像觀察，難以鑑定截面內混入的材質變化與異物。
4K數位顯微鏡「VHX系列」透過4K CMOS與新開發的光學系統，實現大景深。不受試料表面的凹凸影響，可用對視野整體全幅對焦的清晰4K彩色影像觀察。
不用更換鏡頭即可在20-6000倍之間自動切換，實現「無縫縮放」，切換倍率也只需滑鼠或控制器即可快速操作，輕鬆快速完成截面樣本的高精細觀察。
太陽能電池模組（面板）觀察
太陽能電池模組（面板）內含不同顏色和光澤的材質，且細微凹凸或損傷的對比度低，以往的顯微鏡難以觀察。
4K數位顯微鏡「VHX系列」配備可取得多張不同快門速度的影像，並取得高灰階影像的「HDR（High Dynamic Range）功能」，可用強調紋理的高對比度影像進行觀察。樣本方向不變，即可從各個角度觀察的「全角度觀察系統」，也可透過景深合成功能，從遠到近對整體對焦影像進行觀察。
晶圓表面的粒子計數
4K數位顯微鏡「VHX系列」透過全方向照明的多張影像中，選擇最適合觀察影像的「多重照明」功能輔助，簡化以往尋找照明條件的時間。對其他樣本也能輕鬆的完全重現過去的設定。
透過簡單操作即可進行指定範圍內的自動面積量測與粒子計數，也可排除不必要的目標物，或將重疊的目標物分離等。
不論量測人員的經驗與熟練度，都不會產生人為誤差，快速獲得高精度的分析結果。
改變太陽能電池觀察、量測、分析、評估常識的4K數位顯微鏡
高精細4K數位顯微鏡「VHX系列」透過簡單操作，即可用4K高解析度的清晰畫質，確實觀察。並且由觀察影像直接進行高精度的2D、3D尺寸（3D形狀）量測、快速取得自動面積量測、計數的數值資料，實現沒有人為誤差的定量化評估。
只要1台「VHX系列」即可解決以往顯微鏡或SEM等的課題，大幅提高作業效率的強大工具。再加上和電腦一樣可安裝Excel軟體，只要將影像和量測值匯入事先準備的範本中，連編製報告都可自動完成。相較以往的顯微鏡，更可以提供優良產品、快速研發與迅速的品質保證對應、正確且快速的完成工作流程。
有關「VHX系列」的詳細說明，請下載型錄，或洽詢KEYENCE。
