薄膜太陽能電池元件製程

我們實驗所使用的玻璃基板為Asahi U-type，上面已鍍有粗糙化的透明導電 氧化層(SnO2:F)800nm，凹凸不平的表面可使得光線受到表面多重反射的作用，

而更有效率的進入半導體材料內。在成長 p-i-n 氫化非晶矽薄膜前，會將基板做 試片放置回原本的腔體，再成長i-layer，厚度為 200nm~600nm。

(e) 把試片移至另一個腔體，在原本腔體預長完n-layer 600 秒之後，再 把試片移回來成長n-layer，厚度為 20nm。

(f) p-i-n 薄膜皆成長完成之後，即可破真空取出樣品，並再對腔體進 400nm~900nm 的波長範圍內，其穿透度皆在 80%以上(圖 11)。而 為何要盡快濺鍍ITO，是為了減少樣品上的非晶矽薄膜與空氣中氧 氣結合而形成的二氧化矽氧化層，進而影響載子輸出，使元件的光 電轉換效率下降。

300 400 500 600 700 800 900

0

4. 蒸鍍鋁電極(圖 12d)：

(a) 穿透導電氧化層(ITO)鍍完後,保留第一道光罩，將試片取出放至電 子槍蒸鍍系統(E-gun system)熱蒸鍍鋁，當 n 型層上載子的輸出電 極，成長的厚度為1000nm。

5. 蝕刻 p-i-n 氫化非晶矽薄膜(圖 12e)：

(a) 鍍完鋁電極之後，將試片上的第一道光罩取下，接著把試片放至在 乾式蝕刻系統(RIE)中，利用已鍍好的鋁電極當作光罩，對周圍沒 有被鋁電極遮的的 p-i-n 氫化非晶矽薄膜進行乾蝕刻，直至可以看 見透明的玻璃基板為止。蝕刻氣體為CF4，流量為180sccm。此時 要注意蝕刻的時間，蝕刻的時間只能超過一點點，若蝕刻時間過長 會導致元件短路。

6. 蒸鍍環狀鋁電極(圖 12f)：

(a) p-i-n 氫化非晶矽薄膜蝕刻乾淨後，貼上第二道光罩，鍍上環狀電 極鋁，當作p 型層載子的輸出電極，成長的厚度為 750nm。

7. 將光罩取下後，氫化非晶矽薄膜太陽能電池製作完成，其流程圖如圖 12 所示。

a.  d. 

b. 

玻璃基板

e. 

c.  f. 

ITO 透明導電氧化層 第二道鋁電極

p、i、n 薄膜

乾蝕刻

第一道鋁電極

圖 12 使用 HDP-CVD 製作完成的氫化非 晶矽太陽能電池，其為 superstrate 型 式，基板下方為入射光源的窗口。

第四章

非晶矽薄膜材料分析及太陽能電池量測結果

4.1 氫化非晶矽薄膜特性分析

我們將針對使用最佳化條件製作成的非晶矽薄膜太陽能電池，其中的p-layer、

i-layer、n-layer 分別進行特性分析，像是拉曼光譜、反射光譜以及能隙的擬合等 等。以下我會針對各種方法進行介紹以及分析我的薄膜特性。

4.1.1 光性量測分析

使用N&K Analyzer 可以量測出非晶矽薄膜的折射率 n (refraction index)及消 光係數k (extinct coefficient)。消光係數是衡量化學物種吸收特定波長光強度的度 量單位。如圖13、14 所示，為典型非晶矽薄膜的 n 及 k 對波長的圖。

圖 13 典型非晶矽薄膜的折射率

圖 14 典型非晶矽薄膜的消光係數。

由圖13 可知，波長在 633nm 時，其折射率 n 值為 4.21。以下列出我們以 HDPCVD 成長的各種參數的p, i, n-layer 及其波長在 633nm 時的折射率。

表 5 不同成長條件之非晶矽薄膜及折射率 (註：PH3氣體已被 Ar 氣體稀釋 100 倍)

由表5 可知，我們所沉積之非晶矽薄膜其折射率都偏低，皆不到 4.21。而且 隨著SiH4流量的提升，其折射率也隨著提升。我們取折射率最接近4.21 的 p, i, n-layer，厚度分別為 58nm、55nm、87nm，其分別的折射率 n 與消光係數 k，如 圖15~17 所示。

200 400 600 800 1000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

n,k

Wavelength(nm)

n k

圖 15 p-layer 的折射率與消光係數值。

200 400 600 800 1000

200 400 600 800 1000

0.0

接著我們使用量測N&K Analyzer 所得到的消光係數，代入下列公式，可得 到材料的吸收係數α(Absorption Coefficient)



 ⁴^k (16)

利用上式所得到的吸收係數，我們可以拿來做光學能隙的擬合。光學能隙是一種 非常重要的參數，定義的方法有很多種，最常用的方法有兩種，一個是E04 gap[24]，

而另一個是Tauc gap。E04 gap 的定義是吸收係數在 10E04cm^-1的光子能量，我 們使用此法求出p-layer、i-layer、n-layer 的光能隙分別是 1.83eV、1.84eV、1.72eV。

而Tauc gap 可以用下列公式來擬合：

(αhυ)^1/2~ c(hυ-E_g) (17)

其中h 是普朗克常數=6.626E-34(J-s)，υ 是入射頻率(s^-1)，Eg是光能隙(eV)。

使用托克模型(Tauc-model)的方法做圖，將(αhυ)^1/2與 hυ 做圖，取高能量範圍的 曲線做線性切線交到hυ 軸，此切線與 hυ 軸的交點稱為 Eg，我們稱做為Tauc-gap。

我們使用Tauc-model 的方法求出 p-layer、i-layer、n-layer 的光能隙分別是 1.90eV、

1.89eV、1.91eV。一般非晶矽的光能隙約在 1.5~2.0eV 的範圍內，經由以上兩種 方法光能隙的擬合，可以間接證明我們的p-layer、i-layer、n-layer 的結構有非晶 結構存在。如圖18~20 所示。

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 10¹

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

Absorption Coefficient[cm-1 ]

Photon Energy[eV]

0 200 400 600 800

(h1/2 (eV/cm)1/2

圖 20 n-layer 的吸收係數及光能隙擬合圖。

4.1.2 結構量測分析

400 450 500 550 600

0

Power density：15mW/cm² Integral time：20s

400 450 500 550 600

0

Power density：15mW/cm² Integral time：20s

校正完畢後，在相同的的量測條件下，我們i-layer 的拉曼光譜如圖 22 所示，

其峰值位於476 cm^-1，由此也可證實i-layer 確實為非晶矽結構。

2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0

Inte ns ity (a .u.)

R a m a n s h i f t ( c m

^{- 1}

) 4 7 6 c m

^{- 1}

圖 22 i-layer 拉曼量測光譜圖。

4.2 非晶矽薄膜太陽能電池量測結果及分析

薄膜氫化非晶矽太陽能電池製作完成後，接著進入太陽能電池I-V 電性效率 量測的部份。首先介紹本實驗量測使用的太陽能電池量測系統，系統架設結構圖 如圖23 所示，量測所使用的頻譜是 Class A 的 AM 1.5G 太陽模擬光源；將太陽 能電池元件放置在特製的載台上，如圖24 所示。探針點好後，打開燈源照光通 以電壓，接到負載後量測光感應電流，再由電腦Labview 控制程式繪出圖形，從 圖形中萃取太陽能電池的重要參數。

圖 23 太陽能量測系統架設圖。

圖 24 薄膜太陽能電池量測系統架構示意圖。

4.2.1 Superstrate 結構非晶矽 p-i-n 太陽能電池

首先，我們採用4.1 節中折射率較高的 p、i、n-layer 製作成非晶矽薄膜太陽 能電池元件，三層的厚度分別為 12nm、400nm、20nm。一般 p、n-layer 中，以 PECVD 為例，摻雜氣體流量的比例([B2H6]/[SiH4]，[PH3]/[SiH4])皆在 1~3%[24-29]，

400 500 600 700 800

為了增加開路電壓Voc[31-33]，增加元件內部的內建電場是最有效率的方法，

由圖27 可知，隨著硼原子摻雜濃度的提升，開路電壓也顯著地提升。開路

圖 28[B2H6]/[SiH4]為 10%而[PH3]/[SiH4]為 5%的電性曲線。

然而，我們提升了磷原子的摻雜濃度之後，開路電壓仍維持為 0.90 伏特，

而填充係數卻顯著地從58.0%提升至 68.3%，我們推測由於磷原子摻雜濃度的提 升，增加了 n-layer 的導電度，因此串聯電阻下降而增加了填充效率，轉換效率 由8.23%提升至 8.73%。

最後我將取用以上各個最佳化的條件製作成非晶矽薄膜太陽能電池，其電性

另外，本實驗取一組非晶矽薄膜太陽能電池，初始效率為 8.0%，測試我們 的太陽能元件在光照之下的穩定度。在one sun irradiation 的情況下，我們持續照 射了一小時並持續量測效率。由圖31 可知，在照射了一小時之後，效率由 8.0%

降至 7.9%，沒有明顯的光劣化，由此可見我們非晶矽薄膜太陽能元件的高穩定 性。

圖 31 氫化非晶矽太陽能電池在光照之下的衰退。

10

⁰

10

¹

10

²

10

³

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Efficiency (%)

Exposure time (sec)

Normalized Efficiency

4.2.2 Substrate 結構非晶矽 n-i-p 太陽能電池

為了應用在可撓式太陽能電池，我們一樣使用 Asahi-U 玻璃基板來製作非晶 矽薄膜太陽能電池，結構為 n-i-p 。但是製程方法有些不一樣，但製程參數與 前節相同。首先在 Asahi-U 玻璃基板上使用 sputter 先後成長了 200nm 的鋁及 AZO(透明導電氧化層的一種)，接著沉積 n-i-p 薄膜之後貼上第一道光道濺鍍 ITO 與定義元件面積，接著蒸鍍指狀鋁電極。再來拆掉光罩，蝕刻掉定義面積之外的 非晶矽薄膜，直至底部的 AZO 曝露出來，最後再蒸鍍第二道鋁電極。其中，使用 Asahi-U 玻璃基板是為了他的表面粗糙化，增加有效入射光量；而 200nm 的鋁是 為了背反射，使穿過 n-i-p 薄膜而沒被吸收的光能再度被吸收。整體元件結構如 圖 32 所示。

量測結果如圖 33 所示。開路電壓為 0.88V，短路電流 12.7mA/cm²，填充係 數為 50.9%，光電轉換效率為 5.70%。

圖 32 非晶矽 n-i-p 太陽能電池結構。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 2 4 6 8 10 12 14

V

_oc

=0.88V

J

_sc

=12.7mA/cm

²

FF=50.9%

Eff.=5.70%

Current Density

[

mA/cm 2

]

Voltage[V]

 

圖 33 非晶矽 n-i-p 太陽能電池效率曲線圖。

在 Asahi-U 玻璃基板上成功製作非晶矽 n-i-p 太陽能電池之後，我們接著在 可撓式基板 Kapton(polyimide)上製作非晶矽 n-i-p 太陽能電池(圖 34)。製程與 前一個非晶矽 n-i-p 太陽能電池相同，只是把 Asahi-U 玻璃基板替換成表面平整 的可撓式基板(如圖 34)。

量測結果如圖 36 所示。開路電壓為 0.77V，短路電流 9.5mA/cm²，填充係數 為 53.4%，光電轉換效率為 3.89%。與圖 31 相較之下，由於少掉了 Asahi-U 玻璃 基板的表面粗糙化而減少入光量，短路電流從 12.7mA/cm²降至 9.5mA/cm²。此外，

開路電壓也降低不少，由 0.91V 降至 0.77V。

  圖 34 可撓式非晶矽薄膜太陽能電池。

圖 35 可撓式矽薄膜太陽能電池 TEM 切面圖。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0

2 4 6 8 10

Cu rren t Den s it y[mA/ c m

2

]

Voltage[V]

V

oc

=0.77V J

_sc

=9.5mA/cm

²

FF=53.4%

Eff=3.89%

圖 36 可撓式非晶矽 n-i-p 太陽能電池效率曲線圖。 

第五章

結論與未來研究方向

5.1 結論

在本實驗中，在 140℃的基板溫度下，我們以高密度化學氣相沉積系統成長 了最佳化條件的 p-layer、i-layer 及 n-layer，並分析三層薄膜的拉曼光譜、

能隙，三層薄膜的能隙皆落於 1.5~2.0eV 的範圍內，而 i-layer 的拉曼光譜其峰 值位於 476cm^-1，可知我們薄膜的結構及晶性皆為氫化非晶矽。

接著把三層薄膜製作成 p-i-n 太陽能元件，使用 AM1.5G 太陽模擬光源量測 轉換效率，其效率為 4.84%，開路電壓為 0.63V，短路電流為 13.2mA/cm²，填充 係數為 58.5%；隨後量測量子效率，可以看出我們太陽能元件的吸收光範圍為短 波長(300~750nm)。為了提升開路電壓，我們提高了 p-layer 中硼原子的摻雜濃 度。隨著通入氣體流量比例[B2H6]/[SiH4]的提升，開路電壓提升至 0.91V，轉換 效率提升至9.62%。

最後，我們將以上 9.62%的太陽能元件參數，以 n-i-p 的順序成功地在可撓 式基板(polyimide)上製作，轉換效率為 3.89%。

5.2 未來工作

我們已經成功的使用高密度電漿化學氣相沉積系統製作出非晶矽(a-Si)薄 膜太陽能電池，未來將持續開發不同能隙的矽基薄膜吸光材料來形成多接面矽薄 膜太陽能電池。目前有兩大方向：(1)藉由調變[H2]/[SiH4]氣體流量比例，我們已 開發出在低氫流量比的條件下成長非晶矽薄膜，其能隙約1.8eV；若在高氫流量 比的條件下可以成長微晶矽(μc-Si)薄膜，其能隙值約 1.1eV。(2)透過有效的鍺(Ge) 原子摻雜，可以沉積非晶矽鍺(a-SiGe)使其能隙調整至約 1.5eV。

單接面非晶矽太陽能電池無法吸收低能量的光，而單接面微晶矽太陽能電池 會有熱損耗問題，所以這兩種單接面太陽能電池的轉換效率較低，約 10%左右。

若將這兩種不同能隙的材料所製程的太陽能電池做成堆疊結構，將可吸收不同波 段的光源，形成 a-Si/μc-Si 雙接面薄膜太陽能電池。由於太陽光的吸收範圍及 利用率增加，因此效率可提升至 12%。若再加上 a-SiGe 材料而形成 a-Si/a-SiGe/

μc-Si 三接面薄膜太陽能電池，效率更可達到 15%[13]。

參考文獻

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[6] A. Goetzberger, C. Hebling, and H. Schock, "Photovoltaic materials, history, status and outlook," Materials Science & Engineering R, vol. 40, pp. 1-46, 2003.

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Research and Applications, vol. 11, pp. 39-45, 2003.

[8] J. Yang, A. Banerjee, and S. Guha, "Triple-junction amorphous silicon alloy solar cell with 14.6% initial and 13.0% stable conversion efficiencies," Applied Physics Letters, vol. 70, p. 2975, 1997.

[9] K. Kuribayashi, H. Matsumoto, H. Uda, Y. Komatsu, A. Nakano, and S. Ikegami, "Preparation of low resistance contact electrode in

screen printed CdS/CdTe solar cell," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 22, pp. 1828-1831, 1983.

[10] D. Carlson and A. Catalano, "Improving the performance and reducing

[10] D. Carlson and A. Catalano, "Improving the performance and reducing

在文檔中 高穩定性及高效率矽薄膜太陽能電池 (頁 38-0)