第四章 實驗結果與討論
4.5 銅銦鎵硒元件光響應度分析
光響應之光源為250w 之鎢絲燈。在量子效率方面，在不外加偏壓下，CIGS/n-si 量子效率都在100%以內。而高於 100%表示元件在該波長在偏壓下有增益產生，
而增益的產生跟CIGS 薄膜本身的品質與內部缺陷有關，而當偏壓提高時，光響 應度也跟著提高，因此偏壓的提高除了能產生更多的電子電洞對，貢獻光電流 外，也能提高電子遷移速度。理論上CIGS 的能隙大小為 1.17ev~1.2ev[42]，最 大吸收波長介於1033nm~1060nm，圖 4.24 可以發現該元件的截止波長從 950nm 延伸到1100nm 左右。在波長 950nm，不外加偏壓下、偏壓-0.5V、-1V、-3V 的 響應度分別為0.536(A/W)、3.58(A/W)、4.6(A/W)、6.04(A/W)。在波長 1050nm
的響應度於偏壓-1V、-3V 時突然變高，可能是 CIGS/n-si 元件的傳導載子在偏壓 較高的情況下更容易從缺陷中穿隧過能障，顯示缺陷的產生造成光電流較大而有 增益的現象。在於可見光波長530nm 時，不外加偏壓下、偏壓-0.5V、-1V、-3V 的光響應度分別為0.0266(A/W)、0.241(A/W)、0.284(A/W)、0.21(A/W)。在波長 為850~1000nm 時，不外加偏壓時量子效率會有較大的反應。而在波長 500nm 時，
偏壓為0V 時，量子效率有 7%。
表4.1 濺鍍銅銦鎵硒四元合金靶材改變氬氣流量的能量散射分析表
Ar Flow [sccm]
Cu In Ga Se O O/Se
2 52.56 2.62 4.04 26.09 14.69 0.56
4 51.56 1.34 2.97 25.04 19.09 0.76
6 47.37 2.28 0 28.37 21.98 0.77
8 42.11 3.18 0 30.59 24.42 0.79
10 44.49 3.03 0 26.7 25.78 0.96
表4.2 不同基板溫度濺鍍CIGS 薄膜的的能量散射分析
Substrate
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/SeRT 52.56 2.68 2.2 30.61 11.95 0.39
100 54.37 2.78 2.52 29.77 10.56 0.35
200 51.9 3.73 3.43 28.28 12.66 0.44
300 51.98 3.16 3.27 27.8 13.8 0.49
400 48.55 3.62 4.13 25.91 17.79 0.68
表4.3 不同的硒處理溫度的能量散射分析表
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/Se200
43.66 2.51 2.98 20.28 30.57 1.51300
43.92 3 3.66 21.76 27.66 1.27400
46.93 2.23 4.11 21.55 25.18 1.16500
46.06 3.13 3.66 23.43 23.72 1.01600
47.73 2.33 3.35 20.3 26.28 1.29表4.4
固定銅銦鎵硒靶材功率為20w、銦靶材濺鍍功率為 25w 的能量散射分析表
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/Se300
35.6 10.37 1.75 26.01 26.27 1.01400
36.1 10.45 2.43 28.12 22.9 0.81500
33.74 12.64 1.89 28.52 23.2 0.82600
46.05 0.94 1.72 21.14 30.14 1.42表4.5
固定銅銦鎵硒靶材功率為20w、銦靶材濺鍍功率為 30w 的能量散射分析圖
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/Se200
28.36 17.58 1.31 26.6 26.16 0.98300
26.53 17.84 1.46 27.75 26.41 0.95400
32.74 17.03 1.01 29.68 19.54 0.65500
32.96 15.78 1.47 26.8 22.99 0.85600
37.21 3.45 2.55 14.33 42.46 2.96表4.6
固定銅銦鎵硒靶材功率為20w、銦靶材濺鍍功率為 37w 的能量散射分析圖
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/Se200
24.09 17.3 1.04 19.13 38.45 2.01300
23.65 17.36 0.72 19.81 38.46 1.94400
23.84 15.53 1.34 21.12 38.16 1.80500
27.17 17.12 1.51 21.03 33.18 1.57600
30.61 6.61 1.98 11.11 49.69 4.47表4.7
固定銅銦鎵硒靶材功率為 20w、銦靶材濺鍍功率為 45w 的能量散射分析圖
Temperature(℃)
Cu In Ga Se O
O/Se200 22.39 25.27 0.96 28.53 22.85
0.80300 22.1 26.99 0.76 28.04 22.11
0.78400 23.55 24.69 0.74 29.47 21.56
0.73500 24.46 27.01 0 33.5 14.96
0.44600 28.75 15.3 0 14.88 41.07
2.76表4.8 空氣中熱處理的 CIGS 薄膜電洞移動率及濃度表
300 33.73 1.14 1.31 3.58 50.24 14.03
400 40.08 1.28 0 1.46 57.18 39.16
500 42.09 1.45 0 0 56.46 0
表 4.11 真空中熱處理的CIGS 薄膜電洞移動率及濃度表
200 43.22 2.57 0.98 23.09 30.15
1.31300 40.78 2.86 1.28 20.29 34.79
1.71400 39.47 2.01 1.24 18.78 38.5
2.05500 36.64 2.2 0 17.15 44.01
2.58表 4.13 混合氣體熱處理的CIGS 薄膜電洞移動率及濃度表
2 4 6 8 10
Mobility[cm2 / Vs] Concentration[cm -3]
Mobility
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖4.2 改變氬氣流量對濺鍍銅銦鎵硒電子顯微鏡圖，放大倍率 80k
（a）2sccm;（b）4sccm;（c）6sccm;（d）8sccm; （e）10sccm
0 100 200 300 400
Mobility (cm2 / Vs)
Mobility
Substrate Temperature[0C]
Concentration(cm -3)
圖4.3
在功率20W 時濺鍍之 CIGS 薄膜，其電洞移動率和濃度與濺鍍時基板溫度的關 係圖
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖4.4 不同基板溫度濺鍍 CIGS 薄膜的電子顯微鏡圖，放大 30k 倍率
（a）室溫;（b）100℃;（c）200℃;（d）300℃; （e）400℃
200 300 400 500 600
Mobility (cm2 / Vs) Concentration(cm -3)
Se treatment Temperature[0C]
0.0
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖4.6
在不同的硒化溫度下，以SEM 觀察到的 CIGS 薄膜表面形態，其中硒化溫度 (a)200℃;(b)300℃;(c)400℃;(d)500℃; (e)600℃
圖4.7 濺鍍銅銦鎵硒靶材及銦靶材與康寧基板之示意圖
300 350 400 450 500 550 600
Se treatment Temperature[0C]
8.0x1021
Mobility (cm2 / Vs) Concentration(cm -3)
圖4.8
固定銅銦鎵硒靶材功率為20w、銦靶材濺鍍功率為 25w 的電洞移動率及濃度比 較圖
200 300 400 500 600
Mobility (cm2 / Vs)
Se treatment Temperature[0C]
Mobility
200 300 400 500 600
Mobility (cm2 / Vs)
Se treatment Temperature[0C]
Concentration(cm -3)
200 300 400 500 600
Mobility (cm2 / Vs)
Se treatment Temperature[0C]
Concentration(cm -3)
(a) (b)
(c) (d)
圖4.12 固定銅銦鎵硒功率，改變銦靶材濺鍍功率之 SEM 圖，放大倍率 30k
（a）25w;（b）30w;（c）37w;（d）45w
(a) (b)
(c) (d)
圖4.13 CIGS 薄膜在空氣中熱處理的電子顯微鏡圖，放大 30k 倍率
（a）未熱處理前;（b）300℃;（c）400℃;（d）500℃;
0 100 200 300 400 500 0.5
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Air Vacuum Forming gas
Anneal Temperature[oC]
Mobility(cm2 /vS)
圖4.14 不同氣氛氣體下熱處理溫度對電洞移動率的比較圖
0 100 200 300 400 500
1021 1022
1023 Air Vacuum Forming gas
Concentration(cm-3 )
Anneal Temperature[oC]
圖 4.15 不同氣氛氣體下熱處理溫度對濃度的比較圖
0 100 200 300 400 500 1
10
Anneal Temperature[oC]
O/Se ratio in the film
Air Vacuum Forming gas
圖 4.16 不同氣氛氣體下熱處理溫度對O/Se 的比較圖
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 5 10 15 20 25 30
-3 -2 -1 0 1 2 3 -6.0x10-5
-4.0x10-5 -2.0x10-5 0.0 2.0x10-5 4.0x10-5 6.0x10-5 8.0x10-5 1.0x10-4
Voltage(V)
Current(A)
Dark Photo
圖4.20 CIGS 薄膜濺鍍在矽基板上 Photo 與 Dark 條件下之電流電壓值
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -1.5x10-5
-1.0x10-5 -5.0x10-6 0.0 5.0x10-6 1.0x10-5 1.5x10-5
Current(A)
Voltage(V) Photo
圖4.21 CIGS 薄膜濺鍍在矽基板 Current-Voltage 曲線圖
圖4.22 p-CIGS/n-si 異質結構二極體能帶示意圖
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1E-3
0.01 0.1 1
Responsivity(A/W)
Wavelength(nm)
100%
65%
40%
20%
7%
0V -0.5V -1V -3V
圖4.23 為 CIGS 薄膜濺鍍在矽基板上等效光響應對波長關係圖