第四章 非晶矽薄膜材料分析及太陽能電池量測結果
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
010
110
210
30.0 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
2FF=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
2FF=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]。
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