實驗原理

第二章 實驗原理

2-1 太陽能電池發電原理

在當太陽光照射至太陽能電池時，能量大於能隙( Eg )的光子會 將電子激發到導帶，在價帶形成電洞，內建電場方向為 n 指向 p，所 以自由載子電子往 n 型半導體移動，電洞往 p 型半導體移動，再由 前後電極導到負載端(RLoad)即完成一個迴路，其原理示意圖如圖 2.。

其 p-n 接面作用如圖 3.。

圖 2.太陽能電池原理示意圖

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圖 3.p-n 接面作用示意圖

當電子於 n 型層表面至上電極(top electrode)會產生一串聯電阻 (series resistance , RS)。如果電極接觸沒很好的話，其本身也將會增加 串聯電阻；同理，由光子所產生的電洞，被內建電場拉至 p 型層後，

抵達背電極 (back electrode)，亦會產生一串聯電阻。因照光而產生的 光電流，其中有小部分會流經晶格表面 (元件邊緣)，將會導致有一 內部的並聯電阻(shunt resistance, Rsh) 存在。其等校電路如圖 4.

圖 4.太陽能電池等效電路圖

當未照光時，其特性就像是一 p-n 接面二極體，其電壓電流關係

I

ph

R

Sh

R

S

R

L

I

d

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為公式(1) [1]

𝐼_𝑑 = 𝐼₀[exp (^𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇) − 1] (1) 其中 I0為逆向飽和電流，q 為電子電荷量，k 為波茲曼常數，T 為絕對溫度，n 為二極體中的理想因子。照光之後，產生一逆向的光 電流，從太陽能電池等效電路圖可知其電壓電流關係式如公式(2)

I = 𝐼_𝑝ℎ − 𝐼_𝑑 = 𝐼_𝑝ℎ − 𝐼₀[exp (^𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇) − 1] (2) 當太陽能電池短路時 V = 0，可得理想短路電流 I = Isc = Iph，而 I = 0，

可得到開路電壓 V = VOC。如圖 5.所示

圖 5.太陽能電池電壓電流特性圖

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兩半導體的能隙完全錯開沒有重疊。

其示意圖如圖 7.

圖 7.異質接面類型

舉例來說如圖 8. [1]

圖 8.不同能隙之 n 型半導體接合後形成異質接面之能隙圖

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的能量，因此於可見光範圍內具有高穿透特性。其結構為纖鋅礦 (Wurzite hexagonal structure)，屬於六方最密堆積(Hexagonal Closed Packed , HCP)，從圖 9.看，鋅原子位於六角柱形結構的節點上，而氧 原子則是位於四個鋅原子所組成的四面體的中心位置，且每一四面體 的方向皆沿著六角柱中心軸的方向，使氧化鋅有極佳的對稱性。晶格 常數 a=3.25 Å 、c=5.208 Å ，因 ZnO 最低自由能位於(002)平面，因此 薄膜通常會以 C 軸優先成長取向。

圖 9.氧化鋅晶體結構示意圖

氧化鋅薄膜之導電性是由非化學計量比(non-stoichemetry)的偏差 所產生，像是本質缺陷(native defect )、氧空缺(oxygen vacancies)等提 供傳導電子。而本研究是利用摻雜三價鋁(Al)於氧化鋅中，因為摻雜 三價雜質進入氧化鋅中可取代少量的 Zn²⁺離子的晶格位置，釋放出一 個電子，提高薄膜的載子濃度使導電性提升，電阻率下降。其中 Al³⁺

15 鋁誘發晶格(Aluminum induced crystallization .AIC)的結晶方法可在較

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低的溫度(350 ^oC 到 500 ^oC )形成 p-type 薄膜，其顆粒大小可達到約 10 μm。AIC 示意圖如圖 10.，圖 11.為鋁與非晶矽薄膜經由 450 ^oC , 1 小時退火後的斷面圖，可以看到原本的鋁薄膜會形成多晶矽，而原本 的非晶矽薄膜則是會變成有鋁加矽粒子之薄膜。

[2][15][16]

圖 10.鋁誘發晶格(AIC)流程示意圖

圖 11.鋁誘發晶格(AIC)斷面 SEM 圖示意圖[2]

然而薄膜品質主要是受到以下幾點影響 (i) 退火溫度

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(iii) 晶粒聚結

當晶粒大到與鄰近的晶粒接觸時，彼此間會互相擴散，會以最 穩定的結晶方向成長。

(iv) 縫道填補

因晶粒與晶粒之間不斷的併吞使得之間產生縫道，這縫道就是 基板表面未被吸附原子或晶粒所覆蓋的地方，當縫道被填滿時，

初步的薄膜已在基板上形成。

(v) 薄膜成長

與前面步驟相似，吸附原子隨著生長的薄膜方向往上沉積，聚 結、縫道填補，形成完整的薄膜。

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圖 12.薄膜沉積步驟示意圖

而目前半導體製程中，最常被運用且技術成熟的薄膜沉積技術為 物理氣相沉積(Physical vapor Depostion , PVD)，而依照製成需求的不 同又可以細分為

(i) 蒸鍍(Evaporation)

(ii) 分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy , MBE) (iii) 濺鍍(Sputter)。

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21 品表面接觸時，利用原子之間的凡得瓦力（Van Der Waals Force）作 用來呈現樣品的表面特性。假設兩個原子中，一個是在懸臂（cantilever）

的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的

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改變而變化，當原子與原子很接近時，彼此電子雲斥力的作用大於原 子核與電子雲之間的吸引力作用，所以整個合力表現為斥力的作用，

反之若兩原子分開有一定距離時，其電子雲斥力的作用小於彼此原子 核與電子雲之間的吸引力作用，記錄掃描面上探針每點的垂直微調距 離，便能得到樣品表面的等交互作用圖像。

圖 13. 探針感測原理示意圖[19][20]

AFM 的掃描模式可大略分為 (i) 接觸式（Contact mode）

由於排斥力對距離非常敏感，所以接觸式 AFM 較容易得到較 佳原子解析度，但其作用力容易損壞樣品表面。

(ii) 非接觸式(Non-contact Mode)

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利用探針跳動來掃描，不接觸表面，利用表面上所存在的凡得 瓦爾力吸引會改變振幅的大小做為回饋，但由於探針和樣品並 未接觸，因此非接觸模式的呈像之空間解析度較差。

(iii) 輕拍式(Tapping mode)

其原理是讓懸臂上下擺動並輕拍於物體表面，藉由振幅的改變 而成像，其作用力同時受到吸引力及排斥力的交互作用。解析 度介於接觸式與非接觸式間，且不受橫向力的干擾，且減少表 面吸附現象干擾。

圖 14. AFM 掃描類型示意圖

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圖 15. AFM 儀器圖

2- 6 掃瞄式電子顯微鏡

掃描式(Scanning Electron Microscopy; SEM)主要是來觀察物體的 表面型態，解析度可達奈米尺度且景深長，在觀察材料表面形貌上非 常清楚而容易，目前已被廣泛的使用。其架構如圖 16.

圖 16. SEM 系統示意圖[21]

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其原理為電子鎗透過熱游離或是場發射原理產生高能電子束，經 過電磁透鏡組後，可以將電子束聚焦至樣品上，利用掃瞄線圈偏折電 子束，在試片表面上做二度空間的掃瞄。當電子束與試片作用時，樣 品表面的電子會被撞擊而釋放出來，稱之二次電子，其能量約為 50 eV，

因此只有樣品表面下約 5~50 nm 的二次電子，才有機會脫離樣品表面 被偵測，而樣品表面的電子帶有表面形貌的訊息，二次電子在脫離試 片表面後，被一弱靜電電場加速至高能量，被環狀二次電子偵測器接 收成像，即可以得到試片表面凹凸的影像。

圖 17.掃描式電子顯微鏡儀器

2-7 霍爾效應與四點探針測量

目的為量測半導體材料內多數載子濃度與遷移率。1879 年，霍 爾(Edwin Hall)發現當輸入電流在外加磁場的導體上，在導體上與電

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流垂直方向的兩端，可量測到感應電壓，當時他即認為在磁場作用下 導體內電流有受力偏向之現象，利用這量測結果進而推斷出傳導載子 的極性、濃度。目前霍爾效應已廣泛被工業界利用在半導體量測傳導 載子濃度與極性。

其原理為當一固體導體放置一磁場內，並給予一電流通過，那導 體內的電子會因受到勞倫茲作用力(Lorentz force)向上堆積，在導體上 方因電子的堆積產生較低的電位， 進而生成一個+ Y 方向的電場，

此電場逐漸限制後續載子堆積。當載子不再累積時,此電場稱之為霍 爾電場(Hall field,E_H)，而所量到的電壓即稱為霍爾電壓(Hall voltage , VH)，如公式(13)所示，其示意圖如圖 18.

H H

V BI R

 d

(13)

圖 18.霍爾效應示意圖

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B 為外加磁場，I 為外加電流，d 為半導體厚度，RH稱為霍爾係數(Hall coefficient)。當載子為電洞時R_H ¹

 pq，反之為電子時R_H ¹

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1 1

qn qp

 ^  ^ 

(16)

n 為載子濃度，n

s為片載子濃度，B 為磁場，q 為電子電荷，ρ 為電阻

率。

圖 19.四點探針量測原理式意圖

圖 20.霍爾量測架構圖

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2-8 熱退火原理

熱退火為應用廣泛的材料加工技術，利用熱能給予原子能量使其 震動和擴散，讓原子能重新排列減少晶格缺陷，而進行再結晶。一般 熱退火會依溫度的高低分成三階段:

(i) 修復 : 當退火溫度較低時，因為熱能所提供的能量較低，僅能讓所 含的缺陷，進行分佈的重整以達到較穩定的狀態，但對於晶粒的結構 無法產生任何的變化，對於晶體薄膜的內應力只能做些微的調整。

(ii) 再結晶:當熱退火的溫度加高，熱能能提供較高的能量，原子獲得動 能，使晶體薄膜的缺陷得以重排而降低，進而產生無差排缺陷的晶粒，

此階段稱為再結晶。

(iii) 晶粒的成長:當熱退火的溫度再增加，使得再結晶階段所形成的晶粒 有足夠的動能克服晶粒間的表面位能，晶粒將開始再併吞較小晶粒成 長，此階段稱為晶粒成長。

因此整個熱退火的影響，決定於溫度的高低，溫度越高晶體薄膜 所需進行熱退火的時間也就越短。[22]

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2-9 X 光繞射分析原理

其 主 要 目 的 是 用 來 檢 測 晶 體 結 構 的 工 具 ， 全 名 為 (X-ray diffraction , XRD)，可利用 X 光繞射來得知磊晶薄膜的晶格方向，進 而估算出晶粒大小及晶格常數。其原理為當 X-ray 射入樣品時，在射 入一組平面(hkl)，間距為 d 的兩原子平面，會造成光程差，如圖 21.，

當光程差為波長的整數倍時，因而產生建設性干涉。滿足此條件便可 產生繞射，稱為布拉格定繞射，其布拉格定律公式如公式(17)

2 d

_hkl

sin   n 

(17)

圖 21. X-ray 入射晶體結構之布拉格幾何關係圖

λ 為 X-ray 光波長，d 為間距，θ 為繞射角度，n 為正整數。不同 的晶體結構晶面間距 dhkl 會有所差異，因此會有不同組合之繞射角 2θhkl 。繞射的發生除了必須滿足布拉格條件外，也會受晶體對稱性

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影響。故當近乎單色光之 X 光照射晶體時，只有在某些特定的入射 角才會出現繞射現象，主要是決定於晶胞的形狀、大小及對稱性。此 外，晶胞內組成原子不同時，由於各原子對 X 光散能力相異，故雖 結構相同也會造成不同的繞射強度，進而影響半高寬。當晶粒越小，

則繞射峰越寬，根據公式(18) Scherrer 公式，可利用繞射峰估算出晶 粒大小。[23]

D = k ^𝜆

𝐵𝑐𝑜𝑠𝜃 (18)

D 為晶粒大小，k 是常數約為 0.9，λ 為入射光波長，B 為繞射峰值半 高寬，2θ 為繞射峰對應之角度。

圖 22. XRD 儀器圖

2-10 蝕刻

利用化學或物理的方式，去除不需要的薄膜層等。主要分兩類，

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一種為利用化學反應的濕式蝕刻(wet etching)，另一種為利用物理轟 擊的乾式蝕刻(dry etching)。

濕蝕刻是利用蝕刻液與薄膜產生化學反應移除分子結構，此化學

濕蝕刻是利用蝕刻液與薄膜產生化學反應移除分子結構，此化學

在文檔中 氧化鋅摻鋁與鋁誘發多晶矽薄膜之異質接面太陽能電池研究 (頁 16-43)