2-1 ZnO 透明導電膜之發展及物理性質
氧化鋅 (Zinc Oxide，ZnO)，為 II-VI 族寬能隙半導體材料，能隙 約 3.37eV，並擁有較高的激子束縛能約 60meV，在可見光部分有很 高的穿透率，結構為纖鋅礦 (Wurzite Structure)，屬於六方最密堆積 (Hexagonal Closed Packed，HCP)，如圖 1，其中Zn 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 有極性的對稱性，晶格常數a=3.25Å、c=5.208Å，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 1. ZnO 晶體結構示意圖
2-2 鋁金屬誘發矽結晶發展及原理
1957 年，H. Hansen 等人[9]發現矽摻雜鋁有(eutectic)特性，即兩 者摻雜時合金熔點較兩者中任何一種材料為低，該最低熔點稱為共晶 溫度(eutectic temperature) ，為 577℃。而純鋁與純矽的熔點分別為 660℃和 1412℃，基於此共晶特性，沉積矽摻雜鋁膜時基板溫度必須 低於577℃，如圖 2，再退火時，矽和鋁接觸處，矽將溶解到鋁中，
其熔解量不僅和退火溫度有關，也和矽摻雜鋁飽和之體積有關。1972 年 S. R. Herd 等人[10]發現非晶矽和特定金屬，經退火處理後，可誘 發生成多晶矽薄膜。1994 年 M. S.Haque[11]等人發現非晶矽和鋁在 退火溫度150℃即有結晶反應，170℃時，薄膜表面會產生凹陷與微
小結晶，180℃，即會有部分結晶產生。1999 年 Nast [12]等人分別沉 積非晶矽膜與鋁膜於退火溫度500℃下，生成多晶矽薄膜其電阻率 4.1×10-2 Ω-cm、濃度 2.6×10-18 cm-3、遷移率56 cm2/V‧S。2011 年 C.
C. Peng[13] 等人利用三明治結構 a-Si/Al/a-Si 經退火後得一電阻率 5.2×10-2 Ω-cm、濃度 1.5×10-18 cm-3、遷移率80 cm2/V‧S 薄膜。
圖 2. 矽-鋁相圖
2-3 濺鍍原理
物理氣相沈積( Physical Vapor Deposition，PVD )是半導體製程中，
成熟且被廣泛運用於薄膜沉積的技術，依照製程需求不同一般而言，
可分為下列三種不同之技術：
(一)蒸鍍(Evaporation)
(二)分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy, MBE) (三)濺鍍(Sputter)
板附著性佳。然而直流濺鍍及射頻濺鍍，帶電粒子的行進路線是沿著
被碰撞出去的原子，最後終於沉積在基板(陽極)上形成薄膜。
1879年，霍爾 (Edwin H.Hall) 輸入電流在外加磁場的導體上，
發現在導體上與電流方向垂直的兩端，可量測出感應電壓，利用這種 量測結果進而可判斷出傳導載子的極性和濃度，此稱為霍爾效應，是 最方便和令人信服的判斷，霍爾效應已廣泛被工業界利用在半導體傳
簡而言之，霍爾效應(Hall effect)即是移動電荷在電磁場中，受到 勞倫茲作用力(Lorentz force)產生一感應電場，而此電場會產生一跨越 半導體的電壓，稱為霍爾電壓(Hall voltage)，如公式(2.2)所示:
H H
此方法對於量測樣品的幾何形狀並無太多限制，只要所製作的量測樣
爾電壓的變化，用 (2.4)，(2.5) 式求得載子濃度( n )與載子遷移率( μ )。
2-5 柏斯坦—摩斯(Burstein-Moss)效應
1954年，Burstein 和Moss等人提出，在高摻雜情形下能隙會隨著
佔據傳導帶之最低能階處，造成下一個要自價帶躍遷的電子勢必需要 更大的能量才能從價帶被激發至傳導帶上方的位置，因此，需要更高 的能量來填補上方的能階為置，導致能階變寬。
2-6 X 光繞射分析原理(X-ray diffraction, XRD)
1913 年，W.L. Bragg 父子在從事晶體結構分析實驗中，從散射 X 光
圖 6. 晶體繞射 X 光之布拉格幾何關係圖
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。
晶體之X 光繞射實驗提供兩項重要訊息。一是繞射峰的位置 2θ ， 二是繞射峰的強度 I。第一項訊息提供了晶體之晶胞形狀大小（即晶 格參數）的資料，第二項訊息則提供了晶體內部組成原子種類及位置 的資料。隨材料之晶體結構與組成變化，每個晶體此兩項資料各不相 同，正如同人類的指紋一樣。因此可以利用 X 光的繞射分析來決定 材料是屬於那一種礦物晶體或是結晶材料。材料在 X 光繞射之下，
不同結晶化合物會產生相異的(2θhkl , Ihkl) 組合，即稱為繞射圖譜
( Diffraction Patterns )。
2-7 光激發螢光光譜原理(photoluminescence, PL)
將一大於energy gap(Eg) 能量的雷射光打向樣品時，則會有部分電子 吸收光子由價電帶躍遷至導電帶，這些高能量的電子會經由與晶格碰 撞釋出能量而掉至導電帶底部；同樣的高能量的電洞亦會經由與晶格 碰撞釋出能量而掉至價電帶頂部，而後導電帶底部的電子與價電帶會 復合而發光，此發出的光就是光激螢光且其能量大約與材料能距相等 如圖7。
圖 7. 光激發示意圖
2-8 熱退火原理(Thermal Annealing)
熱退火增加晶格原子及缺陷在半導體材料內的振動和擴散，釋放出材
2-9 太陽能電池(solar cells)原理
太陽能電池是由 p-n 二極體所組成，而一般的 p-n 二極體是由矽摻雜 不同元素，矽 (Si)的原子序為 14，除了內層 10 個電子被原子核緊密 束縛著，外層軌道還有 4 個電子受到原子核的束縛力較弱，只要給予 足夠的能量就能脫離原子核變成自由電子，因此又被稱為價電子，每 一個矽與鄰近的四個矽形成共價鍵，如圖8所示。若是摻雜 III 族元 素(如硼、鋁、鎵、銦)，此原子會取代矽與鄰近的矽原子鍵結，但是 由於 III 族原素的價電子只有三個，所以多一個電洞，形成 p 型半導 體；反之，摻入 V 族元素(如砷、銻、磷)，此原子取代矽與鄰近的矽 原子鍵結後，多出一電子而形成 n 型半導體，如圖9。
圖 8. 矽原子結構與共價鍵結示意圖
圖 9. p 型與 n 型摻雜示意圖
若是將 p 型半導體和 n 型半導體接在一起，p 型半導體內的多數載子 (Majority carrier 電洞會擴散過去 n 型半導體，n 型半導體內的多數載 子電子也會擴散至 p 型半導體內，因而形成空乏區(depletion region)，
並產生內建電位(built-in potential)。當太陽光照射在太陽能電池時，
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，再由前後金屬電極導到負載端(Load)即完成一個 迴路。其 p-n 接面作用如圖10。
圖 10. p-n 接面太陽能電池能帶示意圖
圖11為一個太陽能電池照光下的等效電路圖，其中 Rs 是串聯電阻；
圖 12. (a)照光下的 I-V 圖 (b)輸出功率與電壓曲線圖 假設(2.7)式中，令 I=0，我們可得出開路電壓(VOC)為:
0
ln
ph1
OC
nkT I
V q I
(2.8)由圖12(a)可以知道，太陽能電池最佳操作點(Operating point)在 Vm與 Im的交點上。圖中輸出功率Pout，一般寫成：
(a)
(b)
0
1
給地球上用之太陽能電池的強度為AM1.5G，1000W/m2為其基準值。
以 AM1.5G 的光源為射入條件，溫度 25°C 的量測標準下，其轉換效 率η為：
100% 100%
m OC SC
in in
P V I FF
P P
(2.13)其中Pin為照光強度，1000W/m2 。 當 VmIm 所包圍的面積越接近VOCISC
乘積時，FF 越接近 1，轉換效率也就越高，由公式得知 VOC、ISC、FF 皆會影響太陽能電池的效率。