本章節主要分為三部份，第一部分為ITO/Si 太陽能電池元件的 理論；第二部分為介紹本實驗所使用的ITO 靶材成份以及成長薄膜的 磁式濺鍍機，並且簡單介紹量測薄膜電性與光性的儀器原理；最後一 部分為元件的製程。
2-1 太陽能電池理論
太陽能電池（solar cell)現在是替代石油能源的重要選擇，因為它 能將日光直接轉換成電能，且幾乎沒有污染。
異質接面（heterojunction）是由兩種具有不同能隙的半導體所組 成。下圖2-1 為ㄧ n-type 半導體長在 p-type 基板上面，熱平衡時的 能帶圖。半導體照光後，在空乏區中形成的載子會經由正的偏壓而流 出半導體，進而得到電流。這種形式的元件會比傳統p-n 接面具有下 列優點:（1）可以吸收兩種不同波長的光。（2）如果第一層半導體能 夠可以有很高的參雜濃度，這樣在做金屬接觸的時候就可以降低串聯 電阻（series resistance）。
Eg2
與5.033eV，則△EC約為 0.45eV。下圖 2-2 是 ITO/Si 在熱平衡下的簡 化能帶圖。
圖2-2 ITO/Si 在熱平衡下的簡化能帶圖。
EC2
EV2 EF
EC1
EV1
n-ITO
p-Si(NA~5×1016) Interfacial layer
△EC
2-2 材料與儀器介紹
2-2-1 Si 基板
本實驗所用的基板厚度為0.5 mm，面積25
×
25 mm的p-type矽基 板。阻值為1-10 Ω-cm，晶向為（100）。2-2-2 靶材
本實驗所使用的靶材為In2O3和 SnO2氧化物燒結成的 ITO 靶 材，比例為90 : 10，純度為 99.9 %。
2-2-3 濺鍍機示意圖
圖2-3 為本實驗所使用的磁式濺鍍機。成長 ITO 薄膜是在高真空 下進行，故我們先由機械式幫浦(Mechanical pump)把腔體壓力從一大 氣壓抽至
5 × 10
−2 torr，再由渦輪式幫浦(Turbo pump)抽至5 × 10
−6 torr。接著由流量控制器(Mass flow controller)控制氬氣(Ar)流入腔體，再利 用電源供應器(Power supply)輸入功率。此外，加熱器能夠提供基板加 熱的功能。還有自動控制壓力器來控制我們所需的操作壓力。
圖2-3 濺鍍機示意圖。
Wafer holder heater
2-2-4.1 四點探針(4-point probe)
電子元件的製作過程中，我們經常將ㄧ層材料長在基底上。這層 材料的薄膜電阻RS（sheet resistance）可由四點探針法測量。如下圖 2-4 所示，四根相同間距的探針放置在待測樣品的表面，在外側兩根
π
為改正係數（correction factor）。上式只有在樣品大小遠大 於探針間的距離時，所量得的結果才會準確。使用四點探針法來量測 薄膜電阻可以避免因探針與材料間蕭基位障（Schottky barrier）所造 成的誤差，因此可較準確地量出材料的薄膜電阻。2-4 四點探針的原理。
2-2-4.2 X 光繞射儀(XRD)
當X-ray 打到物體時，有些射線會被反射回去，此種反射如同鏡 面反射，入射角等於反射。在某種角度下，從相鄰鏡面反射之波彼此 相位相同，光程差為波長的整數倍，因而產生建設性干涉。滿足此條 件便可產生繞射，稱為布拉格定律，如式(2)所示。不同的晶體結構晶 面間距dhkl會有所差異，因此會有不同組合之繞射角{2θhkl}。
2dhkl•sinθ = nλ ……… (2)
圖2-5 晶體繞射 X 光時，布拉格方程式的幾何關係 [12]。
繞射的發生除了必須滿足布拉格條件外，也會受晶體對稱性影 響。當晶胞內所含原子數目不只一個時，由於這些原子彼此的對稱關
係，而限制了某些繞射的發生，稱為消光條件(Extinction condition)。
故當近乎單色光的X 光照射晶體時，只有在某些特定的入射角才會 出現繞射波，這主要是決定於晶胞的形狀、大小及對稱性。此外，晶 胞內組成原子不同時，由於各原子對X 光散能力相異，故雖結構相 同也會照成不同的繞射強度。
基本上晶體的 X 光繞射實驗提供兩項重要訊息。一個是繞射峰 的位置，另一是繞射峰的強度。我們可以從 2θ 推出其晶格方向。另 外，也可以從繞射峰的強度和繞射峰的形狀是否很陡峭來看它的結晶 性是否很好。隨材料的晶體結構與組成變化，每個晶體所得到的資訊 各不相同。因此可以利用 X 光的繞射分析來決定材料是屬於那一種 結晶材料。材料在 X 光繞射之下，不同結晶化合物會產生相異的 {2θhkl，Ihkl}組合，稱為繞射圖譜( Diffraction patterns )。本實驗所使用 的機台為Bede D1，如圖 2-6 所示：
圖2-6 Blade D1 的示意圖 [12]。
此儀器所使用的X-光靶(Tube)為銅靶，所激發的出來的波長為：
CuKα=1.541838 Å。操作條件為工作電壓：40 kV，工作電流：30 mA。
掃描速率為每0.1 度停留 3 秒，掃描範圍為 20°至 60° [12]。
2-2-4.3 橢圓偏光儀 ( Ellipsometer )
橢圓偏光儀乃利用橢圓極化光來量測薄膜表面特性的非接觸、非 破壞性方法。其原理係利用光線在與樣品接觸前後，其偏極狀態 (Polarization states)會有明顯改變的現象，來量測薄膜折射率與厚度的 儀器。此外，表面粗糙度、電子組成的溫度漂移、光源強度波動等情 況，對橢圓偏光儀影響非常小，所以量測出來的值非常準確。而本實 驗所用的機台為SOPRA 的機台。
圖2-7 橢圓偏光儀的原理。
2-2-4.4 霍爾量測 ( Hall measurement )
霍爾量測是用來量測載子濃度最常使用的方法。圖 2-8 為示意 圖。ㄧ個沿x 軸方向施加的電場，及一個沿 z 軸方向施加的磁場。由 於磁場作用產生勞倫茲力(Lorentz force)，將會對在 x 方向流動的載子 施以一個y 方向的力，此導引的電流將形成電場。此現象為霍爾效應 (Hall effect)。利用此效應我們就可以量得載子濃度與遷移率。
圖2-8 霍爾效應的基本裝置。
x y
z
VH
BZ
V
2-2-4.5 原子力顯微鏡 (AFM )
原子力顯微鏡（AFM）屬於掃描探針顯微技術（SPM）的一支，
此類顯微技術都是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間 的某種交互作用，如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波等等，然 後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面做左 右前後掃描（或樣品做掃描），並利用此掃描器的垂直微調能力及迴 饋電路，讓探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩 者距離在數至數百Å（10-10m）之間，而只要記錄掃描面上每點的垂 直微調距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用圖像，這些資料便 可用來推導出樣品表面特性 [13]。
2-3 元件製程
(2) 接著再將試片泡入異丙醇（Isopropyl Alcohol）中，同樣以超 音波震盪器強度9 清洗 10 分鐘。
2-3-2 太陽能電池元件製程
【一】矽晶圓清洗
(1) 將矽晶圓泡入丙酮（Acetone）中，置於超音波震盪機內，以 強度9 清洗 10 分鐘。
(2) 接著再將試片泡入異丙醇（Isopropyl Alcohol）中，同樣以超 音波震盪器強度9 清洗 10 分鐘。
(3) 再接著將試片泡入去離子水（DI water）中，以超音波震盪 器強度9 清洗 10 分鐘。
(4) 最後將試片沖水吹乾，置於 120℃烤箱內烘烤 60 分鐘。
【二】乾氧法成長二氧化矽
先將清洗乾淨的矽晶圓放置於石英座內，再推入石英爐管中，然 後將石英爐管加熱至950℃高溫後通入氧氣約 26 個小時，使氧氣與 晶圓表面反應生成二氧化矽，則可生成約3000Å 的二氧化矽。
【三】黃光微影(Photo-lighthography)-I
將HF：NH4F：H2O=10mL：70mL：135mL 的溶液調配好後，把 試片置入其中約6 分鐘，此時除了正面 cell 區域已經定義出來之外，
3.蒸鍍速率：0.6 Ǻ 4.蒸鍍厚度：1000 Ǻ
（2）蒸度完後，將正面的光阻清除乾淨後，把試片放在 500℃
的氮氣環境下快速退火10 分鍾，以使鋁與矽形成歐姆接觸。
【六】正面自然氧化物（native oxide）去除
（1）在試片的背面先塗鋪 AZ4210 型光阻，接著再放在加熱盤
20 秒，把 AZ400K 型的顯影液與水以 1：4 的比例混合，最後把試片 置入其中顯影約20 秒。
（3）將試片用去離子水沖洗乾淨，再用氮氣吹乾。
【九】正面鋁（Al）電極製作
（1）蒸度條件：
1.腔體壓力：1.8×10-6 torr 2.蒸鍍電流：120 Amp 3.蒸鍍速率：0.6 Ǻ 4.蒸鍍厚度：1000 Ǻ
以上九個步驟即為ITO-矽太陽能電池之完整製程。
以下為製作過程的示意圖:
【四】 背面鋁電極蒸鍍
Silicon ITO
SiO2
【八】 正面鋁電極蒸鍍
【九】 光阻去除，製程完成
以上步驟為製程的示意圖。
Silicon
Al
ITO Al
ITO Al
Al
Silicon SiO2 SiO2 PR
SiO2 SiO2