太陽能光電轉換是利用太陽能光伏材料組成太陽能電池，將太陽光的光能轉 化為電能。太陽能電池吸收了太陽光譜中可利用的光譜能量，轉換成光電壓及光 電流，而這輸出的電壓及電流會因外部負載的大小而改變，與一般電化學電池可 以提供固定大小的電壓不同。太陽能電池的使用材料分兩大類：無機和有機半導 體，無機半導體又分為元素半導體(矽)及化合物半導體(II-VI,III-V 族)。半導 體材料又依其摻雜需求不同而分為導電載子為電洞的 p 型半導體以及導電載子 為電子的 n 型半導體。半導體材料具有一定寬度的禁止能隙，其載子的分布符合 費米分布。在光照等外加能量的作用下，價帶中的電子能夠吸收能量，躍遷到導 帶，形成了導帶上的自由電子及價帶上的自由電洞，產生擴散(diffusion)或漂 移(drift)。如果將 n 型半導體和 p 型半導體相連，將組成二極體的 p-n 接面(p-n junction)，具有整流特性。在太陽光的作用下，p-n 接面可以產生電子和電洞，
給外加電路提供光電流，形成太陽能電池。
本章節主要自基本太陽能電池的元件結構開始說明，並逐步介紹光電轉換的 運作原理及太陽能電池的光電轉換效率以及外部量子效率的量測，以及因應此論 文中為量測次波長抗反射結構在1 sun下的變角度量測分析。
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圖 2-1. 太陽能電池的基本元件結構，最上面為抗反射層(antireflection coating)，外接電路的上電極層(front contact)及下電極層(rear contact)，
以及負責產生電子電洞對進行光電轉換的射極(emitter)及基極(base)，當光照 射在太陽能電池的表面，載子可藉由外部的負載將電流導出。
2-1 太陽能電池的基本架構
一個完整的太陽能電池的結構設計如圖2-1所示[10,11]，外部有玻璃保護層 (Cover glass)、透明接著層(Transparent adhesive)，作用在於固定內部的太 陽能電池及保護元件不受到外在環境的水氣及其他物質的破壞。內部的元件結構 則可依其功能分為三種，第一種是抗反射層(Antireflection coating)，目的在 於提高光能的收集，是藉由光學結構的設計來達到減少光因反射而造成的損失；
第二種是p-n接面的半導體接觸層，由p型半導體(p- type semiconductor)及n 型半導體(n-type semiconductor)組成，其中間為p-n接面(p-n junction)的電 場，可將擴散到電場作用範圍的電子電洞對分離。第三種則為上下層的電極，上 電極(front contact)由於為了讓光能通過，會根據不同電池的需要設計成不同 間距及金屬遮蔽率的指狀圖案，下電極(rear contact)為全帄面的層狀結構，目
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的在於將穿透而沒被完全吸收的光反射回去，以增加光電轉換的效率。當太陽光 入射時，半導體接面的產生光電流透過外加的負載迴路，可以轉換為功率輸出。
為了有效提升太陽能的光電轉換效率，不僅要考慮輸出的負載迴路，電池本身也 是主要的考量，關於有效提升太陽能電池的轉換效率，主要有三個關鍵可以進行 改善。
(一) 增加光子收集率(Photon collection)，實行的方法可以在抗反射層結構進 行改善，一個能有效應用在太陽能電池上的抗反射層結構應具有寬頻譜響 應(broadband response) 及大收光角度(omnidirectional) 等特性，增加 太陽能電池單位面積的收光量。
(二) 增加光電子的內部量子效率(Internal quantum efficiency, IQE)，實行 的方法可以在光電轉換的半導體材料本身進行改善，在製程的過程中減少 材料本身的缺陷，使得光電子在收集的過程中不易被缺陷復合，發展高品 質的光電轉換材料結構；或者可藉由磊晶製程方法，來製作出最適合太陽 光電轉換結構的磊晶結構，提高光子在太陽能電池中的能量轉換比率並具 有更寬廣的吸收頻譜。
(三) 增加電子萃取率(Carrier collection)，實行的方法為發展高品質的電極，
透過表面電極圖形的設計找出最佳化的電極遮蔽比率，達到最大收光效益，
減少光電流在導出時被復合的可能性，以及形成歐姆接觸降低因半導體與 金屬間的串聯電阻造成的電荷損失。
2-2 太陽能電池光電轉換原理
在 p 型半導體內多數載子為電洞，在 n 型半導體內多數載子為電子，當 n 型 與 p 型接觸後，則會形成 p-n 接面(p-n junction)，如圖 2-2 所示。接面會因 載子濃度梯度不同而產生擴散，p 型半導體的電洞擴散到 n 型區時，與 n 型區的 電子復合並在 n 型區留下帶正電的施體離子(ND+
)，而 p 型區接面附近會有受體 離子復合後產生帶負電的受體離子(NA-)，這些無法移動的電荷在此形成了一個由
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n 型區指 向 p 型區 的電場， 並稱 這些無 法移動的 電荷 所在位 置為空乏區 (depletion region)，又稱為空間電荷區(space charge region)，在空乏區內 的電場可以使得 p 型半導體中的少數載子電子漂移到 n 型端，同時也驅使 n 型半 導體內的電洞漂移到 p 型端。
圖 2-2. 二極體電場示意圖，也是半導體太陽能電池的基本元件結構。當 n 型半 導體與 p 型半導體接觸時，n 型半導體中的電子會向 p 型半導體的方向擴散，留 下來的帶正電的離子，反之，p 型半導體在接面的附近則留下帶負電的離子。由 於離子的作用，造成了內建電電場，在內建電場的這個區間中，不存在自由載子，
又稱做空乏區(Depletion region)。
如圖 2-3 所示，當一能量高於半導體能隙(energy gap)的光子入射到半導體 內，再由光子將價帶(valence Band)上的電子激發躍遷至導帶(conduction band) 上，形成了自由的電子-電洞對(electron-hole pair)，電子和電洞則因內建電 場作用而分離，電子與電洞往相反的方向各自傳輸至二端電極來輸出。
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圖2-3. p-n接面之光電轉換示意圖。在p型半導體與n型半導體接觸面會由於內部 載子的擴散，形成內建電場區域，由於電場的作用，當入射光子激發半導體材料 產生電子電洞對，電子會向n型區移動，電洞會向p型區移動，形成光電流。
光伏特效應中，p-n 接面區空間電荷區的內建電場功用就是使入射光子被吸 收產生電子-電洞對在復合（recombination）前被分開，而產生光電流。光電流 再經由 p-n 二極體金屬接觸傳至負載，這便是太陽電池的基本工作原理。如果 將照光的 p-n 二極體二端的金屬接觸用導線連接，就是所謂的短路（short circuit），金屬線的短路電流（short-circuit current）就是等於光電流。若 照光的 p-n 二極體兩端不相連，就是所謂的開路（open circuit），則光電流會 在 p 型區累積額外的電洞， n 型區會累積額外的電子，造成 p 端金屬接觸較 n 端金屬接觸有一較高的電位勢，也就是開路電壓（open-circuit voltage）， 這開路電壓也被稱是光電壓（photovoltage），所以太陽電池又被稱為光伏特電 池（photovoltaics）。
入射光不只在空間電荷區內才被吸收成為光電流。光子在 p-n 二極體的其 他區域也會被吸收，就是所謂的準電中性（quasi-neutral）區域，也能貢獻光 電流。只是準電中性區的光電流是擴散電流，而不是漂移電流，擴散電流由少數 載子所決定的，多數載子不參與。也就是說，n 型準電中性區域的少數載子-電 洞，其在接近空間電荷區的地方往 p 型區的方向濃度會逐漸降低，因此 n 型準
20 (series resistance)與並聯電阻(shunt resistance)，串聯電阻通常是金屬接 觸有問題所造成的，在高電流密度的情況下(例如聚光情形)更為嚴重；而並聯電 阻主要來自於元件的側向漏電路徑，例如正反兩極有不小心存在的傳導路徑。
圖 2-4. 理想的太陽能電池等效電路模型，主要包太陽光電流 Jsc、p-n 二極體本 身的逆向飽和電流 Jdark、串聯電阻及並聯電阻等特性，可用於分析元件內部的接 面阻抗的大小及二極體本身漏電流(leaky current)的情形。
根據柯西荷夫電壓定律(Kirchoff's voltage laws)可以得到等效電路中輸 出電流密度 J 與輸出電壓 V 的關係式為
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效應；J0為二極體的反向飽和電流密度，與中性區及空乏區的復合電流有關，並 隨順向偏壓的指數增加而增加，在逆向偏壓時會達到飽和值；A 則為太陽能電池 的受光面積，T 為絕對溫度(K)；n 為半導體理想因子(ideal factor)，當擴散電 流主導時，n 會趨向 1，反之當復合電流主導時，n 會趨向 2；k 為波玆曼常數 (Boltzmann constant)，J 與 V 則分別為太陽能電池的輸出電流密度、輸出電壓。
為了簡化分析，考量一個理想的太陽電池，其串聯電阻非常小(Rs=0)，幾乎可以 忽略，而並聯電阻則非常大(Rsh→∞)，近乎斷路狀態，因此(2-1)式可以簡化成
) 1
0
(
nkTqV
sc
J e
J
J
(2-2)在模擬一個太陽光強度的照光條件下，進行電流-電壓(current-voltage, I-V) 特性量測，圖2-5為一個面積為100cm2的單晶矽太陽能電池量測結果，圖中有幾 個相當重要的參數將在以下詳細介紹，如短路電流密度JSC (short-circuit current density)、開路電壓VOC (open- circuit voltage)、填充因子FF(fill factor)、 光電 轉 換效 率η （ conversion efficiency ）、最大功率輸出電壓 VMP(maximum power voltage)、最大功率輸出電流IMP(maximum power current )。
圖2-5. 面積為100cm2的單晶矽太陽能電池的電流電壓特性量測結果，右方表格 為此電池適用的模擬參數。
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a.短路電流密度 JSC (short-circuit current density)
短路電流(ISC)是太陽電池在負載為零的狀態下，也就是外部電路短路時的輸
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池產生功率；另外，在 V<0 時元件就如同光偵測器的原理一樣，根據外部光源強 度產生與之對應的光電流，與偏壓無關。
c.填充因子 FF(fill factor)
填充因子的定義為太陽電池在最大功率輸出時，輸出功率值 PMP，與 VOC和 ISC
d.轉換效率η（Conversion efficiency）
能量轉換效率定義為太陽電池最大輸出功率 PMP與入射光 Pin的比例，能量轉 的效率，可分為外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)及內部量子 效率(internal quantum efficiency, IQE)，所謂外部量子效率是指在給一特定
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圖 2-6. 太陽能量測機台的架構圖，主要包含有太陽能模擬光源系統，Keithley 2400 數位電表進行照光下元件電特性的量測，數據處理的部分，透過電腦
labview 程式紀錄。
2-4-2 電阻量測
當電流由半導體流向金屬時，經過了半導體本身的電阻及半導體與金屬之間 的接觸電阻，如下圖2-7(a)，TLM(transmission line model)被用於量測半導體的頁 電阻(sheet resistance)以及接觸電阻，其中由 Schokley [12]發展的transfer length method (同樣縮寫為 TLM)，常在元件的製程中同時地作出量測樣本以利檢測，
其結構如下圖 2-7 (b)，利用四點量測法量測金屬接觸(如圖 2-7(c))1~5 間的總電 阻值Rt，並繪圖成圖 2-7 (d)並且從外插可以得到三個重要參數：(1)斜率為頁電 阻Rsh與金屬接觸寬度Z 的比值；(2)接觸電阻(Rc)可由 d=0 時的 Rt 求得；(3)與 d 軸交點得到的LT可進一步得到特徵接觸電阻率(ρc)。
1KW Power Supply
Class A AM1.5G Solar
Simulator Keithley 2400
SourceMeter Labview
Control Solar cell I-V Measurement
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圖2-7. (a)電流由半導體流至金屬的示意圖，(b)為(a)的等效電阻圖，L 為金屬長 度；(c)transfer length method 的設計，設計數個不同間距的金屬接觸，W-Z<5μm
圖2-7. (a)電流由半導體流至金屬的示意圖，(b)為(a)的等效電阻圖，L 為金屬長 度；(c)transfer length method 的設計，設計數個不同間距的金屬接觸，W-Z<5μm