本章節敘述關於將氮化矽次波長結構應用於三接面磷化銦鎵/砷化鎵/鍺太 陽能電池元件上，用以提升太陽能電池的入光量及轉換效率，一般的製程中，是 利用 SiO2或是 SiNx作為厚度設計在四分之一波長結構的單層膜抗反射層，一般 而言的厚度介於 80nm 到 110nm，其中心波段在 600nm 左右，由於是針對特定波 長設計，其反射率最小可以到達 0%，有效抗反射層區間為 500nm~700nm 之間。
根據第三章氮化矽基仿生蛾眼結構的光性分析的結果，這樣的次波長結構針對太 陽光譜 AM1.5G 計算可以得到約 7.15%的反射率，其反射率在 500nm~700nm 約為 4%雖大於單層膜的值，但運用在多接面太陽能電池上，寬頻譜的抗反射還是亟於 需求，另外次波長結構在大角度吸收光方面也有理想的表現，因此預期仿生次波 長結構抗反射能夠提升短路電流密度、光電轉換效率，以及入射光角度為大角度 射也能夠比單層抗反射層有更高的光電轉換效率。
4-1 應用於多接面 III-V 族太陽能電池之製程
三接面 III-V 族太陽能電池磊晶的材料結構主要為磷化銦鎵、砷化鎵成長於 鍺基板之上，詳細結構如表 4-1 所示，上面包含有一層重摻雜 N 型砷化鎵的歐姆 接觸層(N+-ohmic contact layer)，不管是上電池磷化銦鎵或是中電池砷化鎵都 具有能隙較大的材料如磷化銦鋁(AlInP)、磷化銦鎵(GaInP)的窗口層(Window layer)和背向重摻雜電場(back surface field)減少少數載子的復合；中間為二 極體接面(P-N junction)的吸收反應層包含射極(emitter)及基極(base)，射極 與基極的摻雜濃度約差一個級數，且射極厚度只有數十奈米，受限於半導體的擴 散長度；各子電池間以厚度極薄濃度極高(大於 1019cm-3)的穿隧二極體串聯；加 上鍺基板後總厚度約為 200 微米。
55
Layer name Material Type Doping concentration (cm-3)
Thickness (nm) Cap GaAs N 1~5e18 300-500 很少，即圖 4-1(b)兩旁較寬的封閉矩形，間隔(grid pitch)約為 160 μm，寬度 為 10 μm 的 finger 則均勻分布在受光面積中，主要用於收集太陽能電池表面的 光電流，再將電流導到 bus bar 上。再設計一個太陽能電池時，必然會存在一個 trade-off 問題，表面的金屬電極會在元件表面形成一個遮蔽區域，減少收光的
56
面積，但為了提升金屬電極的載子收集速度，必頇增加金屬電極的面積時，會使 得收光面積下降，一般的設計最將遮蔽區域的面積設計在 10%以下，本論文金屬 遮光比率約為 8%，是集光型太陽能電池常用的光罩類型。
圖 4-1. 本論文中使用的光罩圖型，兩旁的封閉矩形為 bus bar，其金屬遮蔽率 約為 8%。
設計光罩完畢後，利用光罩在晶片上進行正曝，利用光阻作遮擋層將晶片浸 泡於氨水溶液(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:100)蝕刻掉最上層高濃度的砷化鎵歐姆接觸 層，化學濕蝕刻完畢之後確認晶片的清潔後，盡快利用電漿輔助化學沉積系統 (PECVD)進行氮化矽(1 μm)的沉積；完成沉積之後旋塗上直徑為 600nm 的聚苯乙 烯小球，穩定風乾 15 分鐘進入電漿耦合反應離子蝕刻系統(ICP-RIE)將氮化矽蝕 刻出如圖 3-20 的仿生蛾眼結構，移除還沒蝕刻完畢的聚苯乙烯小球後進行第二 道黃光微影製程將砷化鎵歐姆接觸層上的氮化矽以 BOE 蝕刻掉，隨後用電子槍沉 積系統將鎳、鍺、金以 300Å、500 Å、3000 Å 的厚度依序沉積上去，泡入丙酮 lift-off 後鍍背面 p 型金屬鈦 300 Å、金 2500 Å [43]，最後進行高溫快速熱退 火(持溫溫度及時間約為 380~420℃，30 秒)最後以鑽石切割機沿光罩定義 0.3025cm2的電池外圍切割，製程示意圖於圖 4-2。
57
圖 4-2. 氮化矽次波長結構樣用於三接面太陽能電池的流程示意圖。
圖 4-3. 三種抗反射條件於實際三接面電池晶片實照圖，左與中分別為未作任何 抗反射層的電池及傳統單層抗反射的電池，右為使用氮化矽次波長結構的電池。
58
4-2 光電轉換效率量測及外部量子效率量測 4-2-1 光電轉換效率量測
這部分為氮化矽基仿生次波長結構應用於三接面 III-V 族太陽能電池的分 析結果，表面反射率的分析來驗證元件表面的反射率變化的情形已詳細地在 3-3 節描述，並在太陽光模擬器下模擬 1 sun 條件時量測電流電壓曲線圖，進行太陽 能電池的光電轉換效率的分析來觀察元件的整體特性，另外利用外部量子效應的 分析來探討在各波長照射下的光電轉換效率，並且透過積分處理，我們可以得知 在各個接面電池產生光電流的情形，最後以變換入射角度的電流電壓量測驗證次 波長結構作為抗反射層對於大角度的入射光比單層抗反射膜擁有更高的吸收效 果。
在本實驗室架設的 AM1.5G 太陽光模擬器在 one-sun 的照射條件下，去量測 使用金屬遮蔽率約為 8%的 0.3025cm2 (0.55x0.55cm2)的太陽能電池，電流電壓特 性曲線如下圖 4-4，各項元件特徵參數詳細列在表 4-2，從短路電流密度看來，
次波長結構作為抗反射層比傳統的單層抗反射層高出了 2.20%的提升，比完全沒 有作任何抗反射層處理的電池多出了 24.15%的光吸收；開路電壓都維持在 2.5 V 左右，填充因子均為 86%左右，沒有作任何抗反射處理的電池其填充因子稍低，
歸因於最後一步的切割製程沒有讓三組對照組有統一性，但此論文探討次波長抗 反射結構與傳統抗反射的功能仍可以短路電流密度的高低作為依據。多接面電池 有串聯上電流匹配問題，因此為了進一步研究抗反射結構對電池的影響，必頇藉 由外部量子效率量測得知是哪個接面電池限制了輸出電流。
59
圖 4-4. 太陽能電池於 AM1.5G 標準光源的量測 I-V 曲線圖，由 I-V 曲線我們可 以看出製作次波長結構的太陽能電池，具有較高的光電流，11.62 mA/cm2，相較 於單層抗反射的 SL ARC 電池的短路電流密度 11.37 mA/cm2與未作任何抗反射層 的 w/o ARC 太陽能電池 9.36 mA/cm2分別高出了 2.20%及 24.15%的光吸收。
AR condition no ARC SLARC SWS Voc (V) 2.51 2.48 2.52 Jsc (mA/cm2) 9.36 11.37 11.62
FF (%) 84.98 86.42 86.42 IPCE (%) 19.93 24.41 25.26
表 4-2. 在三種抗反射條件下，三接面太陽能電池的元件特性參數
4-2-2 外部量子效率量測
利用本實驗室架設的外部量子效率量測系統並且根據 2-4-3 節提到的反覆 的調整程序，量測三接面太陽能電池中每個子電池在每個波長下入射光子能轉換 成輸出電子的機率，因鍺電池低能隙高光電流的特性，不會成為限制電流的子電 池，於是我們可以單就 300nm~1000nm 的反射率頻譜(圖 4-5)與外部量子效率(圖
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0
5 10 15 20
C u rr e n t d e n s it y ( m A /c m
2)
Bias (Voltage)
w/o ARC SL ARC SWS
60
300 400 500 600 700 800 900 1000 0
500 1000 1500
0
61
62
4-3 元件量測驗證次波長結構廣角度的抗反射
在驗證次波長結構的寬頻譜抗反射功能對此多接面電池的電流匹配影響之 後，為了以元件量測結果驗證次波長結構在大角度入射光的條件下仍能有比傳統 抗反射層有更好的表現，我們將電池置於訂製的變角度載台上，在經過 1 sun 光強度的校正之後，以五度為一單位去量測電池的電流電壓曲線，並根據 2-4-4 節的介紹從短路電流密度來看抗反射層的影響，下圖 4-7 為訂製的變角度載台，
圖 4-8 為 SLARC 與 SWS 在 0~80 度時所對應的短路電流密度，右軸為增益因子 (enhancement factor)，其計算方式如下式：
% 100 , 1
SLARC SWS
Jsc, Jsc
(4-4) 從圖 4-8 可以看出，以次波長結構作為抗反射層的電池提供的電流密度在 0 度到 80 度都有比 SLARC 電池更高的短路電流密度，且由上式計算增益因子，發 現在 20 度之後到 80 度都有越來越高的趨勢，我們用元件的效率量測證明了次波 長結構對廣角度的入射光均有比傳統單層抗反射更優異的效果。
圖 4-7. 本實驗室之變角度量測載台。
63 電池之上作為抗反射層。我們以原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM) 對次波長結構作表面形貌掃描，並以程式計算每個高度上氮化矽的體積比例(或 稱空氣比率)，依下式計算等效折射係數(effective refractive index, neff)：
SiNx 式(4-5)得到下圖 4-10，可以發現作成次波長結構後，不管波長是在 400nm、600nm 或是 800nm 下都有漸變折射率的特性，折射率從空氣 n=1 一直漸變到 n=1.8，根
Enhancement factor
Incident Angle (o)
64
圖4-9. 於實際太陽能電池上製作出蛾眼結構，蝕刻的深度與剩下的厚度分別約 為700nm 與 200nm，右邊為原子力顯微鏡掃描出來的形貌圖。
圖4-10. 將 AFM 掃描得到的矩陣代入程式求得每一高度的空氣體積比率
(air-volume ratio)代入式(4-5)求得等效折射係數，在 400nm、600nm 及 800nm 三 種波長下與SLARC(厚度 90nm)在 800nm 時相比較。離空氣約 1000nm 之後分別 是窗口層材料磷化銦鋁及上電池磷化銦鎵。
這樣的漸變折射率關係仍然不是最完美的，在此我們假設一完美的線性漸變，
如下圖 4-11(a)中的虛線，使得光從空氣入射到氮化矽時經過的是一層完美的漸 變折射率介質，我們將這樣的關係代入Rsoft 的 Diffraction mode 去計算在這樣的
0 200 400 600 800 1000 1200
1 2 3 4 5
Effective index, n eff
Distance from air (nm)
SWS@ 400 nm SWS@ 600 nm SWS@ 800 nm SLARC@ 800 nm
65 率相比較。(b)將(a)的理想值代入 diffraction mode 得到的反射率與量測值相比較，
在波長大於500nm 之後兩者反射率的大小相當。
simulated: ideal graded SiNx
0 200 400 600 800 1000
Effective index, n eff
Distance from air (nm)
AFM measured ideal graded SiNx
(a) (b)
66 可以發現富矽氮化矽在600nm 之前是吸光量相當高的材料，在 300nm~400nm 甚 至吸收了高達70%的入射光，這樣的特性會影響後續於太陽能電池的應用。
圖4-13. 以 diffraction mode 模擬 1μm 厚的兩種氮化矽於磷化銦鎵塊材上的反射、
穿透與吸收光譜：(a)光學參數為圖 4-12(a)的氮化矽，(b)光學參數套用圖 4-12(b) 的富矽氮化矽。
300 400 500 600 700 800 900 1000 0
300 400 500 600 700 800 900 1000 0
67
第五章 總結與未來工作
放眼 2008 年前，太陽能電池的產業快速興起，這背後的推動力主要來自於 石油能源價格的高漲，然而在 2008 年下，剛好發生了世界性的金融風暴，造成 經濟上的不景氣，使得太陽能源的發展，有一點延緩，然而儘管如此，世界各國 還是傾全力投入相關技術的研究與開發過程。第三代高效率及低成本的太陽能電 池發展趨勢不可抵擋，發展有效地提升效率的技術並成功應用於元件上，這絕對 未來人類發展不可逃避的問題。
本篇論文研究最主要的目的在利用仿生次波長結構其優良的抗反射特性，諸 如寬頻譜、大角度等優點，以及其優於多層抗反射薄膜對於環境溫度變化的機械
本篇論文研究最主要的目的在利用仿生次波長結構其優良的抗反射特性，諸 如寬頻譜、大角度等優點，以及其優於多層抗反射薄膜對於環境溫度變化的機械