本章節敘述關於將 ITO 奈米柱狀結構應用於砷化鎵太陽能電池元件上。應用 ITO 奈米柱 狀結構的寬頻譜抗反射層改善元件特性的能力，用來提升太陽能電池的轉換效率，我們的元 件為 AlGaAs/GaAs 的薄膜太陽能電池。一般的製程中，是利用 SiO2作為一種四分之一波長結 構的抗反射層，一般而言的厚度約為 110nm，其中心波段在 620nm 左右，由於是單層抗反射 層結構，其反射率最小約等於 10%，有效抗反射層區間為 500nm~800nm 之間。根據第三章 ITO 奈米柱狀結構的光性分析的結果，ITO 奈米柱狀結構將能提供低於 6%的抗反射效果，並且其 反射的波段範圍約於 350nm~900nm，並且由於其導電特性，預期能提升表面載子收集的機率，
提升 FF 值、Isc。
4-1 砷化鎵太陽能電池製程
我們磊晶的材料結構主要為砷化鎵及砷化鎵鋁，如圖 4-1 所示，基板為砷化鎵(GaAs)磊 晶板，上面包含有一層重摻雜 P 型砷化鎵的歐姆接觸層(P+-ohmic contact layer)，砷化鎵 鋁(AlGaAs)的阻隔層(Window layer)和後阻隔層(Back Suface Field layer)，中間為砷化鎵 二極體接面(P-N Junction)的吸收反應層，全部的厚度約為 4 微米左右。
在設計元計的時候，比較關鍵的部分在於設計光罩，這個金屬光罩主要有兩個目的:1.
定義單位元件的收光面積，本實驗所設計的元件收光面積為 1cm2。2.定義太陽能電池表面的 電極圖形。我們在設計光罩的圖形，主要於太陽能電池表面的收光區域中設計金屬線的分布，
如圖 4-1 所示，一般分為 Bus bar 跟 Finger，Bus bar 的截面積較大可以提供較好導電性，
但由於其遮光的面積較多，分布的數目很少，即圖 4-11 中間的三角形的封閉曲塊，Finger 的均勻分布在受光面積中，主要用於收集太陽能電池表面的光電流，再將電流導到 Bus Bar 上，最後透過 Contact Area 收集起來，即為圖 4-11 中下方的方形。再設計一個太陽能電池 之時，必然會存在一個 trade-off 問題，表面的金屬電極會在元件表面形成一個遮蔽區域，
會減少收光的面積，但為了提升金屬電極的載子收集速度，必頇增加金屬電極的面積時，會 使得收光面積下降，一般的設計最將遮蔽區域的面積設計在 10%以下。
圖 4-1. 砷化鎵太陽能電池的金屬光罩圖形。主要包含有用於收集光電流的 Finger(細線)、
傳導光電流的 Bus bar(封閉三角形)及下針量測效率的 Contact Area(封閉長方形)，而金屬 的遮蔽面積通常小於 10%。
砷化鎵太陽能電池的標準製程，如圖 4-2 所示。首先，我們利用 MOCVD 的方式成長完成 砷化鎵磊晶結構的基板。第一個步驟為清洗，清洗的方法為浸泡丙酮 10 分鐘，異丙醇五分鐘，
最後再用 D.I Water 清洗樣品的表面。第二步驟為利用黃光微影技術，在磊晶基板上定義出 我們所需要的圖形。第三步驟，利用電子槍沈積鍍膜技術，蒸鍍上我們所需要的合金電極，
先進行的是上電極 P-type 金屬圖形的製作，採用是合金電極的製作方式，材料為鈦(Ti)/鉑 (Pt)/金(Au)，蒸鍍完後，先利用 lift-off 的方式去除不要的金屬，留下光罩圖案上的金屬 圖形，再進行熱退火的製程處理，溫度設定在 400℃，時間 60 秒。再。第四步驟，利用溼式 蝕刻的方式，定義我們元件的有效面積。第五步驟，製作 N 型接面的背電極，材料為鎳(Ni)/
鍺(Ge)/金(Au)。第六步驟，利用溼式蝕刻的方式去除掉太陽能電池的 P+-type 的區域。最後 的步驟，我們利用斜向電子槍蒸鍍的方式，在砷化鎵太陽能電池的表面製作 ITO 奈米柱狀結 構作為抗反射層，並且進行熱退火處理，這是目前我們的成長過程中通入的氮氣，將可能造 成氧化銦錫的金屬銦析出，因此，在製作完氧化銦錫奈米柱狀結構薄膜後，我們將樣品置於 350℃充氧的環境，進行後退火處理，將金屬銦氧化成氧化銦。
圖 4-2. ITO-AR 砷化鎵太陽能電池元件製作流程。使用經化學氣相沉積技術(MOCVD)製作太 陽能電池的磊晶結構於砷化鎵基板上，經過表面油汙的清洗後，利用黃光微影製程製作上、
下層的電極，最後再將 P+-layer 移除，並沈積氧化銦錫奈米柱狀結構作為抗反射層。
4-2 元件特性的量測與分析
這部分為 ITO 奈米柱狀結構太陽能電池的分析結果，我們使用表面反射率的分析來驗證 元件表面的反射率變化的情形，使用太陽能光電轉換效率的分析來觀察元件的整體特性，使 用外部量子效應的分析來探討在各波長照射下的光電轉換效率，並且透過積分處理，我們可 以得知在各個波段光電流提升的情形。
4-2-1 表面反射率的分析
進行完元件製作後，利用 N&K1280 進行正向的元件表面反射率的量測，其量測結果與上 個章節的薄膜特性相符合，量測結果如圖 4-3 所示。在沒有進行 ITO 抗反射層處理的砷化鎵 太陽能電池表面，其反射率大約接近 30%；相較於製作 ITO 抗反射層結構的砷化鎵太陽能電 池表面，發現在太陽光主要的波段 350nm~900nm，其反射率從 30%下降至 6%左右，可證明此 種奈米 ITO 奈米結構製作於砷化鎵太陽能電池表面也同樣具有低反射率的特性，此種奈米結
P-metal contact
Mesa etching
N-metal contact P+-layer etching
p+-GaAs Contact p-Al0.8Ga0.2As Window p-GaAs Emitter n-GaAs Base
n-Al0.3Ga0.7As BSF n-GaAs Buffer n-GaAs Substrate
Deposition of ITO nanorods, followed by annealing (optional)
GaAs SC epi-structure
構的抗反射特形為全波段的，然而在 400nm 具有低於 1%的反射率，這乃是由於 ITO 材料本身 在紫外光的波段會有吸收所致[39-40]，相同的結果在後續的外部量子效應量測也可觀察到，
如圖 4-3 所示。
圖 4-3. 砷化鎵太陽能電池表面反射率的分析。在波段範圍 350nm~900nm 之間，沒有製作氧 化銦錫抗反射層的表面反射率達 30%，製作氧化銦錫抗反射層的表面反射率下降至 6%，在小 於 400nm 短波長的範圍低於 1%，是由於有部分入射光被 ITO 吸收的關係。
4-2-2 I-V 太陽能光電轉換效率的分析
分析太陽能電池的特性，最重要的即是在元件轉換效率的分析。在轉換效率的量測結果 上，我們可以從照射 AM1.5G 標準光源的 I-V 量測曲線圖中得知，如圖 4-4 所示，目前我們的 電極接觸並沒有做得很好，就沒有製作 ITO 抗反射層的太陽能電池來看，填充因子的值只有 57.6，顯示串聯電阻不小，短路電流 19.1mA，開路電壓 0.97V，轉換效率 10.7%；然而製作 ITO 抗反射層的太陽能電池，填充因子 FF 值上升至 62.6%，這乃是由於 ITO 的導電特性，提 升表面電流的收集效率，進而降低了串聯電阻。短路電流達到 22.5mA，這是由於元件表面反 射率的下降，增加有效光源的吸收，達到提升光電流的特性，開路電壓 0.97V，轉換效率達 13.7%，分析 ITO 抗反射層製作前後的差異，發現短路電流的改變，只增加了約 18%，而轉換 效率的部分增加了 28%。
400 500 600 700 800 900 0.1
1 10 100
R eflec tiv it y (%)
Wavelength (nm)
Normal Incidence
GaAs Cell with ITO nano-columns GaAs Cell without AR treatment
圖 4-4. 太陽能電池於 AM1.5G 標準光源的量測 I-V 曲線圖。由 I-V 曲線我們可以看出製作 成短路提升主要原因，來自於波段範圍 600nm~850nm 外部量子效率的提升。透過利用短路電 流積分法，如 4-1 式所示。 ITO nano-column =13.7%;FF=63.8%
without AR
=10.7%;FF=57.6%
做量測轉換效率的校正。在本實驗中，我們也進行這樣的處理。根據計算結果，在波段 620nm~900nm 之間，有製作 ITO 奈米柱狀結構的太陽能電池的短路電流提升了將近 40%的轉換 效率，然而根據我們的量測結果中短路電流卻只提升了 18%，這是由於本實驗的太陽能電池，
其窗戶層(window layer)的材料為 AlGaAs，這種半導體材料的能隙(Energy gap)為 2.012eV，
對應到最低能量的吸收波長為 616nm[41]，因此在 620nm 以上的波段沒有太大的提升，在未 來的改進可以考慮採用較高能隙的材料當作窗戶層。此外，在更短波段的範圍 410nm 以下，
我們可以發現有明顯的下降，相較於製作抗反射層的電池為差，這乃是由於 ITO 的材料在紫 外光吸收所造成的。
圖 4-5. 外部量子效應分析量測結果。在 616nm 到 870nm 的波段範圍內，量子效率自 50%提 升到 80%，為主要的提升範圍，在 430nm 到 616nm 以前受到 AlGaAs 吸收的影響只有小量的提 升，在 430nm 則變得較原本的為差，這乃是因為 ITO 本身會吸收所導致的。
400 600 800
0 20 40 60 80 100
Quantum Ef fi c iency ( %)
Wavelength (nm)
ITO nano-columns Without AR