實驗步驟及研究方法

3.1 實驗流程

本實驗使用直流磁控濺鍍法 (DC

Magnetron Sputtering)

，將 AZO 鍍 膜於 p-Si 基板上，再鍍上鋁電極，並比較在不同製程溫度下沉積的影響，

以利對後續製備 AZO/Si 異質接面太陽能電池元件之參考，本實驗流程分 為三部分：(1)基板清洗與表面處理；(2)濺鍍沉積薄膜於基板；(3)薄膜分析。

實驗流程如圖3-1。

圖 3-1 實驗流程 基板清洗

表面處理

濺鍍AZO 薄膜

特性分析

物性分析 電性分析

TEM-EDS 變溫I-V 量測 C-V 量測 IPCE

3.2 基板清洗及表面處理

一般來說太陽能電池所使用的晶片可以分為 p 型和 n 型，但是由於在 p型中的過量少數載子電子的擴散長度比 n 型中的過量少數載子電洞要來 得 長 ， 因 此 為 了 能 夠 提 昇 光 電 流 ， 一 般 都 會 選 擇 p 型晶片作為基底 (substrate) [2]。根據前述的考量，本實驗選用四吋 p 型(100)的矽晶圓當作 基板，裁製成 2.2 cm × 2.2 cm 共 6 片，電阻值為 1~5 Ω-cm，基板與空氣 接觸後，表面會因氧化產生原生氧化層，或附著灰塵等，可藉由 RCA Clean 處理製程前的清洗。

H. Angermann [32] 研究指出藉由半導體濕式清洗方法，以 RCA Clean 可用來抑制表面污染，及鈍化處理表面在氧化過程中產生原生氧化層。相比 傳統的前處理，表面微粗糙度和表面態密度有顯著成效，應用於太陽能電池 製程方面來說，利用蝕刻溶液將矽晶圓表面蝕刻成金字塔，就可讓太陽能電 池可以做第二次吸收，達到最好轉換效率。蝕刻溶液有很多種，Y. D. Kim [33]

研究發現以緩衝氧化蝕刻液 (BOE) 對基板表面處理，可造成表面鈍化及使 表面複合速度的降低，S. Petitdidier [34] 發表雙氧水 (H2O2) 應用於基板表 面處理，可獲得薄且均勻的氧化層，界面電荷轉移反應快速穩定，S. P. Chang [35] 研究指出以 0.7％ 稀鹽酸溶液 (HCl) 處理基板表面，可使表面有較佳 粗糙度及增加表面積吸收，產生的電流也較大。

因此，本實驗選用這三種不同的酸液，緩衝氧化蝕刻液 (BOE)、雙氧水 (H2O2) 及稀鹽酸 (HCl) 作為基板表面處理，實驗步驟概述如下：

1. 將基板放入丙酮 (ACE) 溶液中，使用超音波震盪器震洗 5 分鐘。

2. 將基板放入裝有甲醇 (Methanol) 溶液中，使用超音波震盪器震洗 5 分鐘。

3. 將基板放入裝去離子水溶液，使用超音波震盪器震洗 5 分鐘。

4. 將基板分別放入緩衝氧化蝕刻液 (BOE)、雙氧水 (H2O2) 及稀鹽酸 (HCl) 浸泡60秒。

5. 將基板放入裝去離子水溶液 (DI water) ，使用超音波震盪機震盪 5 分鐘。

6. 將基板取出並以氮氣吹除表面殘存的水珠。

3.3 製備 AZO 薄膜

製備 AZO 薄膜的技術及方法相當多，如融膠-凝膠法 (sol-gel) [36]、射 頻磁控濺鍍法 (radio frequency magnetron sputtering) [37]、直流磁控濺鍍法 (DC Magnetron Sputtering)[38]、脈衝雷射沉積法 (pulsed-laser depositionn) [39]等。

前述製程中以使用濺鍍法鍍製的薄膜，可具有成長佳且品質良好的薄 膜，而且容易控制製程、低溫成長、大面積製程效率較快。本實驗採用直流 磁控濺鍍法 (DC Magnetron Sputtering)，濺鍍系統裝置如圖3-1所示，以 AZO 靶材，鍍製 100 nm 厚 AZO 薄膜於 p-Si 基板上。先將腔體預抽真空度至 510^-6 Torr 以上，通入高純度氬氣 40 sccm，將氬氣分壓控制在 510^-3 Torr，啟動電源(功率設在 30 watt)，等待電漿出現後，預鍍 5 分鐘以除去 靶材表面的雜質及氧化物。

接著進行 AZO 薄膜的濺鍍，再來將 Al 濺鍍在矽基板底部約 1 μm 作為下電極，及光的反射層，使未被 Si 所吸收的長波長入射光可在反射路 徑上被吸收，以增加光電流。在濺鍍過程中以不同基板溫度沉積，濺鍍完畢 後將初鍍 AZO 薄膜放置濺鍍 (Sputter) 機台內，並加入氬氣 (Ar) 氣體以 防止氧化，最後緩冷置室溫。

本實驗固定工作壓力 5 10^-3 Torr，基板轉速為 10 rpm，相關實驗參數 如表 3-1 所示。

圖 3-2 Sputter 濺鍍系統示意圖

表3-1 濺鍍薄膜之相關參數表

濺鍍參數 參數設定

基板材料 p-Si 基板 背景真空 5 × 10^-6 Torr 濺鍍功率 AZO DC：30 watt 氬氣流量 40 sccm 基板轉速 10 rpm 製程溫度 298 K、573 K

3.4 電流-電壓(I-V)量測法

蕭特基二極體電流傳導主要由多數載子所決定，對金屬/半導體二極體而 言，電流主要為半導體側熱離子放射出之載子，越過半導體與金屬間之能障 所構成，此能障稱為蕭特基能障 (ΦB)。

蕭特基接觸的 I-V 特性，依熱離子發射 (thermionic emission) 理論得 知，蕭特基二極體之電流-電壓關係可用(2.3)式表示，在(2.3)式中 IS 是為飽 和電流 (saturation current)，V 是順向偏壓，q 是電子電荷量，n 為理想因 子 (ideality factor)，k 為波茲曼常數 (Boltzman constant)，T 為絕對溫度。

其中 IS 飽和電流可表示成[40]

)

the valance band)，所謂態位密度 (density of states) 就是每單位體積每單位能

量所允許存在的能態數目，其單位為能態數目/電子伏特．立方公方 (No. of states) [2]，而矽的 NC 值為 2.8×10¹⁹ cm^-3[5]。

以 1/C² 對 VR 作圖可得一斜直線，並從此線之斜率求出 NA。由(3.8) 式可知當 1/C² =0 的截距即可得到內建電位 Vbi，然後，將 NA 代入(3.10) 式可算出 Vn。最後將先後得到的 Vbi 和 Vn 代入(3.11)式便可求出蕭特基能 障 (ΦB)。

Vbi =ΦB－Vn (3.11)

3.6 實驗量測設備

本論文實驗中對 AZO 薄膜濺鍍於 p-Si 基板上所形成之異質接面所作 的量測：物性分析 TEM (Transmission Electron Microscopy)、EDX (Energy Dispersive X-ray)；電性測量 AZO/Si 異質接面的光電流、電流-電壓 (I-V)、

電容-電壓 (C-V) 及光電流轉換效應 (IPCE)，介紹如下

1. 在物性分析儀器方面，使用 TEM (Transmission Electron Microscopy) 觀察 AZO/Si 異質接面結構，並以 EDX (Energy Dispersive X-ray) 探 討薄膜成份分析。

2. 以太陽光源模擬器 (Solar simulate) AM1.5 測量 AZO/Si 異質接面的 光電流，其製程溫度分別為 298 K 及 573 K。

3. 電流-電壓 (I-V) 量測儀器方面，使用 Agilent B5100A 量測 AZO/Si 異質接面的變溫 I-V 曲線，掃描電壓由 0 V 到 +1 V，並將基板升 溫，溫度為 298 K、323 K、348 K、373 K及398 K。

4. 電容-電壓 (C-V) 量測儀器方面，以 Agilent E4980A 量測 AZO/Si 異質接面 C-V 曲線，掃描頻率 1 MHz，掃描電壓由 -3 V 到 0 V。

5. 光電流轉換效應 (IPCE) 量測儀器方面，以 MFS-300 量測 AZO/Si 異質接面之 IPCE 入射光子轉換效應。

在文檔中 表面處理對AZO/Si 異質接面太陽能電池之研究 (頁 31-38)