第四章 結果與討論
4.2 異質接面砷化鎵太陽能電池比較
4.2.1 不同濃度的砷化鎵電性量測
取 n-type GaAs 參雜不同 si 濃度的兩種晶圓，一為 heavy doping，
濃度為(0.5~4)E18 /cc，在此稱為編號 A；一為(4.7~5.9)E16/cc，
在此稱為編號 B，由公式表示:
由公式得知，參雜濃度越高，開路電壓越大，
由圖 4-6 和表 4-9可知， E18 的砷化鎵開路電壓為 0.62989 伏特， E16 的砷化鎵開路電壓為 0.67986，兩者開路電壓有不同是因為表 4-8參 雜濃度不同的關西，E18 mobility 最高為 2420；E16 mobility 最高 為 3930，而電流密度也從 10.965 mA/cm2提升到 17.517 mA/cm2。
圖 4-6 不同濃度的砷化鎵電性量測表現
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Voc Jsc FF η
E18 0.63 10.965 0.699 4.836
E16 0.68 17.517 0.755 8.993
表 4-9 不同濃度的砷化鎵電性與效率量測數值比較表 4-2-2 不同濃度的砷化鎵外部量子效率量測
由圖 4-7可以發現 E16 在 300 到 900nm 的波段上，外部量子效率 量測表現都比 E18 高，推測是 E18(heavily doping)的砷化鎵晶圓生 命期比 E16 來的小，若是外部量子效率量測比較大，表示吸收的光子 更多，光電效應轉換更佳，能更有效的進行電洞電子傳輸發現兩者都 在接近 900nm 的位置，因為砷化鎵 band gap 的關係，砷化鎵為直接 能隙，外部量子效率衰減至 0，沒有吸收。
圖 4-7 不同濃度的砷化鎵外部量子效率表現
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4-2-3 同樣濃度下不同結構的砷化鎵電性比較
兩片濃度皆為E16但結構不同的砷化鎵晶圓，分別是訂購的砷化 鎵晶圓與用 Mbe分子束磊晶長的砷化鎵晶圓結構如圖4-8。
背部表面場（Back Surface Field, BSF），即是在base layer 的 下方，長一層重參雜的layer，此重參雜的layer 會在base layer 的 下方形成一位能障，讓擴散到這邊的少數載子能夠被反射回去，增加 少數載子被送至另一側的機會，且能夠對開路電壓的增加有所貢獻，
也可進一步降低背面金屬的串聯電阻。
根據圖4-9和表4-10，發現wafer的開路電壓為0.68伏特， MBE 的開路電壓為0.71伏特，提昇了0.03伏特。Wafer的電流密度為17.517 mA/cm2，MBE為18.762 mA/cm2，提昇了1.245 mA/cm2，。這是因為back surface field，結構因為是用MBE長一層濃度為E16的砷化鎵，底下 層為Heavily Doping(濃度E18)的砷化鎵晶圓，剛好形成BSF效應，比 起沒有BSF的Wafer，此效應有助提升開路電壓以及電流密度，效率從 8.99提升到9.874，將近10%。
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圖4-8 BSF砷化鎵電池結構圖
圖 4-9 同樣濃度下的砷化鎵電性量測表現
Voc Jsc FF η
E16(MBE) 0.71 18.762 0.741 9.874
E16(wafer) 0.68 17.517 0.755 8.993
表 4-10 同樣濃度下的砷化鎵電性與效率量測數值比較表
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用 simwindows 程式算出 energy diagram 理論值[2,3]，首先由 圖 4-10知道砷化鎵的 Schottky Barrier 為:
qφBno(GaAs)=0.07qφm+0.51
由圖 4-11，可知道 PEDOT:PSS 的功函數為 qφm(PEDOT:PSS)=5eV
可以算出
qφBno(PEDOT:PSS-GaAs)=0.86eV
由圖 4-12，橫軸是表示光子垂直吸收層進入，大部分的光子在進入 吸收層 1um 內就吸收完了，而在厚度 3 um 左右的吸收層也有小部分 吸收， 而我們長的吸光層為 3 um，back surface field 效應就是在 這段貢獻，而稍稍提昇了開路電壓以及電流，效率從 8.9%提升到 9.87%。
圖 4-10 Schottky Barrier of GaAs
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圖 4-11 功函數
圖 4-12 B S F 砷化鎵電池能階圖
0 1 2 3 30
-5.5 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0
2*1018 cm-3
Energy (eV)
Thickness (m)
Ec Ev 3*1016 cm-3 Ef
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4-2-4 同樣濃度下不同結構的砷化鎵外部量子效率表現
各拿一片濃度皆為 E16 的砷化鎵晶圓，分別是訂購的砷化鎵晶圓 與用 Mbe 分子束磊晶長的砷化鎵，再將這兩片太陽能電池拿去量外部 量子效率，根據圖 4-13，可發現在 300 到 600nm 間，外部量子效率 有所不同，而在 600 到 850nm 的外部量子效率， MBE 的砷化鎵晶圓 明顯比購買的砷化鎵晶圓還要大，猜測是因為生命週期長短的不同。
圖 4-13 同樣濃度下不同結構的砷化鎵外部量子效率表現
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4-2-5 不同結構的砷化鎵吸收率與外部量子效率比較
圖 4-14，右邊的 y 軸為吸收率，左邊的 y 軸為外部量子效率，
我們可以發現在約 340nm 的波段上有個小波峰，MBE 的吸收率跟外部 量子效率也有對應波峰，所以曲線中的吸收率[4]跟外部量子效率的 曲線大概是一致的，證明吸收率跟外部量子效率在 300 到 600nm 波段 中的曲線是吻合曲線的。
圖 4-14 不同結構的砷化鎵吸收率與外部量子效率比較圖
用 AFM(量測於交大奈科中心)去測量塗佈在砷化鎵晶圓上的 PEDOT:PSS 的膜厚，表 4-11 可發現塗佈在 MBE 的砷化鎵晶圓上的膜 厚為 62nm；塗佈在訂購的砷化鎵晶圓的膜厚為 79nm，由於粗糙度的 不同，塗佈在 MBE 的砷化鎵晶圓粗糙度比較小，所以膜厚比塗在訂購
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的砷化鎵晶圓(Wafer)還薄。
有了膜厚這個數據後，經過理論計算，可算出從 300 到 1100nm 波段所對應的反射率。發現在 500nm 和 428nm 的所對應的吸收率，跟 理論計算的吸收率吻合，由曲線趨勢故可知道前段波長反射率有差異 的原因，即是因為膜厚不同的關係。
Roughness(nm) Film Thickness
MBE 0.409 62nm
Wafer 0.565 79nm
表 4-11 表面粗糙度與膜厚
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4-2-6 Time-resolved PL
前面提到濃度皆為 E16 但不同結構的砷化鎵晶圓，兩者的外部量
single exponential decay model
可以推算由上述公式表示，A1 為成分係數，τ1 表示 A1 對應的生命 週期，wafer 的生命期約 0.26620 ns，MBE 的生命期約 0.32982 ns，
很明顯的發現 MBE 的生命期比 wafer 的生命期長上許多，所以 MBE 的 電流密度也會比較大。
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由圖4-15[10]，可知道參雜濃度為E16的砷化鎵，一個分子在兩 種狀態的改變，其放射或吸收的能量差以光子的形式表示叫
radiative transitions。在論文中，生命期分為兩部分，這裡的τ1 是electron~ionized-donor capture time的機制，τ2則是
neutral-acceptor capture (recombination) time機制。
圖 4-15. Posslble diagrams for recombination of GaAs.
(a) Supposing nonradiative and radiative processes originate in different recombination centers.
(b) Supposing radiative and non- radiative recombination originate in the same centers.
R1 and R2 represent the radiative recombination rates from level1 and 2 ；T1, T2, and T3 the nonradiative recombination
rates from levels 1, 2, and 3.
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圖 4-16 在溫度 77K 下，Wafer 的 TRPL Spectra
圖 4-17 在溫度 77K 下，Wafer 的 TRPL Spectra
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Parameter Value
A1【Cnts】 109620
t1【ns】 0.26620
A2【Cnts】 41.5
t2【ns】 34.2
表 4-12 用長波長雷射，Wafer 在 826nm 所激發的生命周期
Parameter Value
A1【Cnts】 87930
t1【ns】 0.32982
A2【Cnts】 2037
t2【ns】 4.887
表 4-13 用長波長雷射，MBE 在 826nm 所激發的生命周期
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4-3參考文獻
[1] Robert F. Pierret,” SEMICONDUCTOR DEVICE FUNDAMENTALS
“ ch3,105-113(1996).
[2] Soline Richard, Frédéric Aniel, and Guy Fishman , Energy-band structure of Ge, Si, and GaAs:A thirty-band k∙p method , Phys. Rev.
B 70, 235204 (2004).
[3] Yow-Jon Lin, Bo-Chieh Huang, Yi-Chun Lien, Ching-Ting Lee, Chia-Lung Tsai and Hsing-Cheng Chang, ,Capacitance–voltage and
current–voltage characteristics of Au Schottky contact on n-type Si with a conducting polymer, J. Phys. D Appl.
Phys. 42 165104(2009).
[4] Dong Liang , * Yijie Huo , Yangsen Kang , Ken Xingze Wang , Anjia Gu , Meiyueh Tan ,Optical Absorption Enhancement in Freestanding GaAs Thin Film Nanopyramid Arrays, Adv. Energy Mater.(2012).
[5] L. Schreiber, M. Heidkamp, T. Rohleder, B. Beschoten,∗ and G.
G¨untherodt,Mapping of spin lifetimes to electronic states in n-type GaAs near the metal-insulator
Transition, cond-mat.mtrl-sci,arXiv:0706.1884(2007).
[6] Matthew C. Beard, Gordon M. Turner, and Charles A.
Schmuttenmaer,”Transient photoconductivity in GaAs as measured by time-resolved terahertz spectroscopy”,PHYSICAL REVIEW B VOLUME 62, NO.23 (2000).
[7] J. M. Kikkawa and D. D. Awschalom” Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs “,PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 80, NO.19(1998).
[8] M. A. Zudov, J. Kono and A. P.“MitchellTime-resolved,
nonperturbative,and off-resonance generation of optical terahertz sidebands from bulk GaAs”, PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 64,
121204(2001).
[9] G. C. Cho, W. Kiitt, and H. Kurz, “ Subpicosecond Time-Resolved Coherent-Phonon Oscillations in GaAs”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOLUME 65, NUMBER 6(1990).
[10] R. C. C. LEITE AND A. E. DIGIOvANNI, “Frequency Shift with Temperature as Evidence for Donor-Acceptor Pair Recombination in
Relatively Pure n-Type GaAs”, PYSICAL REVIEW VOLUME 153, NUMBER 3 (1967)
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5.2 砷化鎵異質接面太陽能電池
在期刊上面比較少人做砷化鎵混合型太陽能電池，而本論文中，
分別比較三個不同的砷化鎵混合型太陽能電池，Wafer 的電流密度為 17.517 mA/cm2，MBE 為 18.762 mA/cm2，提昇了 1.245 mA/cm2，利用 back surface field 的太陽能電池效率從 8.99 提升到 9.874%，將近 10%。針對目前 PEDOT:PSS/GaAs 太陽能電池中，我們以簡單的處理即 可得到將近 10%的效率。
本論文為平面的處理，未來的方向，可在 wafer 表面上作結構或 抗反射層，相信對電流的提昇上會有許多幫助:也可嘗試用其他的有 機物，再作平面的混合型太陽能電池，看能否再有更高的效率提升。