非晶矽薄膜太陽電池基本結構原理

的少數載子⎯電洞，其在接近空間電荷區的地方，會移動到 p-型區因而濃度降 低，因此 n-型準電中性區域的內電洞，就會形成往 p-型區方向的擴散電流。同 理，p-型準電中性區域的少數載子⎯電子，其在接近空間電荷區的地方，會跑向

n-型區因而濃度降低，因此 p-型準電中性區域的內電子，就會形成往 n-型區方向 的擴散電流。總結而言，p-n 二極體的光伏特效應中的光電流，主要是來自於三 個物理機制：空間電荷區內電子，和電洞的漂移電流，n-型準電中性區域少數載 子電洞的擴散電流，和 p-型準電中性區域的少數載子電子的擴散電流。[6~10]

一般而言，光伏特電池元件的所涉及的物理機制和過程是相當複雜，而且隨 著元件的材料和結構的不同而有所差異。但總的來說，任何光伏特電池元件的運 作，須要有三個必要條件：

一、入射光子被吸收，產生電子-電洞對。

二、電子-電洞對在複合前，被分開。

三、分開的電子合電洞，傳輸至負載。

(CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和 CdTe。隨著薄膜技術的發展，Microcrystalline，

甚至 Nanocrytalline 矽薄膜也被研究開發。

太陽電池是的能量來源是太陽光，因此入射太陽光的強度(Intensity)與頻譜

(Spectrum)，就決定太陽電池輸出的電流與電壓。太陽光的強度與頻譜，可以用 頻譜照度(Spectrum Irradiance)來表達，也就是每單位面積每單位波長的光照的 功率(W/m²　 )。而太陽光的強度(W/mm ²)，則是頻譜照度的所有波長之總和。太 陽光的頻譜照度，則和量測的位置與太陽相對於地表的角度有關，這是因為太陽 光到達地表前，會經過大氣層的吸收與散射。位置與角度這二項因素，一般就用 所謂的空氣質(Air Mass AM)來表示。對太陽光照度而言，AM0 是指在外太空中，

太陽正射的情況，其光強度約為 1353 W/m²，約略地等同於溫度 5800K 的黑體 輻射，產生的光源。AM1 是指在地表上，太陽正射的情況，其光強度約為 925 W/m²。AM1.5 是指在地表上，太陽以 45 度角入射的情況，其光強度約為 844 W/m²。一般也使用 AM1.5 來代表地表上太陽光的平均照度。[10]

當太陽電池沒有照光時，其特性就是一個 p-n 接面二極體。而一個理想的二 極體其電流-電壓關係可表為：

I = I e

_s

(

^{V VT}

− 1)

^[10-1]

其中 ^I 代表電流，^V 代表電壓，^I_s 是飽和電流(Saturation Current)，和

0

T B

V ≡k T q ，其中^k_B代表 Boltzmann 常數，^q₀是單位電量，^T是溫度。在室溫下，

0.026V

VT ≈ 。需注意的是，p-n 二極體電流的方向，是定義在元件內從 p 型流向 n

型，而電壓的正負值，則是定義為 p 型端電壓減去 n 型端電壓。因此若遵循此定 義，太陽電池工作時，其電壓值為正，電流值為負。

當太陽電池照光時，p-n 二極體內就會有光電流。因為 p-n 接面的內建電場 方向，是從 n 型指向 p 型，因此光子被吸收產生的電子-電洞對，電子會往 p 型 端跑，而電洞會往 n 型端跑，因此電子和電洞二者形成的光電流，會由 n 型流到 p 型。因為一般二極體的正電流方向，是定義為由 p 型流到 n 型。因此相對於原 本的理想二極體，太陽電池照光產生的光電流，乃一負向電流。而太陽電池的電 流-電壓關係，就是理想二極體加上一個負向的光電流I_L：

I = I e

_s

(

^{V VT}

− − 1) I

_L [10-2]

也就是說，沒有照光的情況，I_L=0，太陽電池就是一個普通的二極體。當太 陽電池短路(Short Circuit)時，也就是V =0，其短路電流(Short-Circuit Current)則 為^I_sc = −^I_L。也就是說當太陽電池短路，短路電流就是入射光產生的光電流 。若太 陽電池開路 (Open Circuit) 時，也就是I=0，其開路電壓(Open-Circuit Voltage) 則為：

^oc _T ln ^L 1

s

V V I

I

⎛ ⎞

= ⎜ + ⎟

⎝ ⎠ [10-3]

很明顯的太陽電池輸出的功率並非是個固定值，它在某個電流-電壓工作點達到

最大值，而這最大輸出功率Pmax _{，則可由來dP dV=0}來決定。我們可以推導得出 最大輸出功率Pmax 時，輸出電壓為：

^max

max

ln 1

1

L s

P T

P T

I I

V V

V V

⎛ + ⎞

= ⎜⎝ + ⎟⎠ [10-5]

和輸出電流為：

max max

max ^{P T}

V V

P

P s

T

I I V e

= V

[10-6]

而太陽電池最大輸出功率為：

P

max

= I

Pmax

V

Pmax [10-7]

太陽電池的效率(Efficiency)就是指太陽電池將入射光的功率^P_in，轉換成最大輸出 電功率的比例，也就是

max in

P η ≡ P

[10-8]

一般的太陽電池的效率量測，都是使用P_in =1000 W m²的類似太陽光的燈光光源。

理想 p-n 二極體的飽和電流，則可以用下式來表達：

2 0

1 p 1 n

s i

D p A n

D D

J q n

N

τ

N

τ

⎛ ⎞

⎜ ⎟

= ⎜⎝ + ⎟⎠ [10-9]

其中q₀代表單位電量，n_i代表半導體的 Intrinsic 載子濃度，N_D和N_A各自代表 施體和受體的濃度，D_n和D_p各自代表電子和電洞的擴散係數，τ_n和τ_p各自代表電 子和電洞的複合時間。

載子在單位體積的產生率(單位 m^-3s^-1)，是由光吸收係數來決定，也就是

g

_L

( ) x = αφ

inc

(1 − R e )

^−αx [10-10]

其中α代表光吸收係數，φ_inc是入射光子強度(或稱為光子流量密度)，R指反射係 數，因此φ_inc(1−R)代表沒被反射的入射光子強度。而產生光電流的主要三個機制 為：少數載子電子在 p-型區的擴散電流、少數載子電洞在 n-型區的擴散電流、

和電子和電洞在空間電荷區的漂移電流。因此光電流約可表達為

J

_L

= J

_n

+ J

_p

+ J

_sc

≈ q g

0 _L

( L

_n

+ L

_p

+ W )

[10-11]

其中Ln和Lp各自代表 p-型區電子和 n-型區電洞的擴散長度，W 則是代表空間電荷 區的寬度。歸納這些結果，可得到開路電壓的簡單表達式：

V

oc

= V

_T

ln ( I

_L

I

_s

+ ≈ 1 ) V

_T

ln ( g

_L

r

rec

+ 1 )

_[10-12]

其中r_rec 代表電子-電洞對的單位體積的複合率。當然這是很自然的結果，因 為開路電壓就等於空間電荷區中，電子和電洞間的 Fermi 能差，而電子和電洞間 的 Fermi 能差，就是由載子產生率與複合率來決定。

Eg

0

( )

L L

J = ∫

^λ

J λ λ d

[10-13]

其中λ_Eg是描述入射光能量須約大於能隙才會被吸收。而頻譜響應(Spectral Response)S_r( )λ 的定義，通常只是用來描述 p-n 二極體，對不同波長的光電流貢 獻，因此必須除去光入射的光子強度φ λ_in( )，和其反射係數R( )λ 的效應，

0 in

( ) ( )

( )[1 ( )]

L r

S J

q R

λ λ

φ λ λ

≡ −

[10-14]

光子強度φ λ_inc( )、頻譜照度I_in( )λ 、與入射光的功率P_in之間的關係，可以用表示如下

I

in

( ) λ = h νφ λ

inc

( )

[10-15]

和

P

in

= ∫ ∫ ∫ dx dy d I λ

in

( ) λ

[10-16]

其中hν代表光子的能量。

當然前面理論的描述，都是針對 p-n 二極體之光伏特元件，但必須注意的是，

這並非是太陽電池的唯一結構。例如，非晶矽光伏特電池，通常是使用 p-i-n 的 結構。而除了單一半導體材料形成 Homojunction 之外，也可以使用不同半導體 材料，來形成 Heterojunction 太陽電池。太陽電池的構成也不一定要全是半導體，

金屬-半導體接觸形成的 Schottky 二極體，和 MOS 結構類似的金屬-絕緣體-半導 體(MIS)，有機物或聚合物，都可用來當太陽電池。太陽電池也不一定要透過光 伏特效應，染料感光電池的光電化學效應，也可以經照光後產生電壓。但無論如

何，p-n 二極體之光伏特元件，總是一個參考指標。而像開路電壓、短路電流、

和填充係數，更是規範所有太陽電池的參數。

2.1.3 矽薄膜太陽電池的製造程序

太 陽 電 池 的 製 程 中 ， 一 般 使 用 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)的方法，在晶片上鍍上一層 Silicon Nitride (SiN)的抗反射層 鍍膜 Anti-Reflection Coating (ARC)。PECVD 作用氣體可以使用 Silane (SiH4) 和 Ammonia (NH3)，其化學反應可以簡單寫成：

~300 Co

4 3 2

SiH +NH ⎯⎯⎯→ SiN:H+3H

也可以使用 SiH4 和 N2，則其化學反應可以簡單寫成：

~300 Co

4 2 2

2SiH +N ⎯⎯⎯→ 2SiN:H+3H

其中 SiN:H 是指 PECVD 成長的 Silicon Nitride，實際上是一富含氫的非晶系結 構。PECVD 的製程中，RF 的頻率與功率、RF 輸入腔體的電極之排列與間距，

作用的時間、作用時的溫度與總氣壓、作用氣體的流量及其成份比例，等等因素 都會決定抗反射層鍍膜的結果。而這結果就決定鍍膜的組成、矽/氮比例、氫含 量、折射係數、密度、介電常數、電阻、介電強度、能隙、和應力。[2] [10]相關 製程及設備對照如下表示。

Process Equipment Wafer fabrication

Crucible preparation Crucible spray system Polysilicon preparation Wet station

Ingot casting Casting furnace

Ingot sectioning Band saw or wire saw Ingot wafering Wire saw

Wafer cleaning Wet station Wafer characterization Resistivity probe

Cell fabrication

Surface cleaning & texturing Wet etch station Junction formation Diffusion furnace Edge isolation Plasma etch station AR coating PECVD

Metalization Screen printer Cell characterization Cell tester

Module fabrication

Glass preparation Glass wash station Cell tabbing and stringing Tabber/stringer Circuit formation Bussing station Module preparation Layup station Module lamination Laminator

Framing Assembly station

Module characterization Module tester 表2.1 太陽能電池各段製程與使用設備

在文檔中 中 華 大 學 碩 士 論 文 (頁 59-67)