利用矽量子點製作抗反射層改善單晶矽太陽能電池之研究

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中華大學碩士論文

利用矽量子點製作抗反射層改善單晶矽太陽能電池之研究

A Study of Double Layer Anti-Reflection Coating Using Si Quantum Dots for Single

Crystal Silicon Solar Cell

系所別：電機工程學系碩士班學號姓名：M09901018 陳建榮指導教授：吳建宏博士

中華民國 101 年 8 月

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摘要

太陽能電池主要的材料為矽，其反射率為 30%，表示入射的太陽能光，能量有 30%的損失，導致入射光在太陽能電池的光學反射相當大的損失，並造成太陽能電池效率過低，故頇沉積抗反射膜才能有效地降低光在電池表面的反射損失，進而提升入射光至電池內部的機會。如此亦能將光做更有效地利用，進而提升太陽能電池之轉換效率。

本論文主要改善單晶矽(single-crystalline)太陽能電池抗反射層結構，本研究主要利用雙層抗反射膜(Double Layer Anti-Reflection Coating )做為抗反射層，也就是利用電漿輔助化學氣相沉積機台(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)蒸鍍第一層折射率為 2.5，厚度為 60 nm 的 SiN_x，以及第二層折射率為 1.2，厚度為 100 nm 的 SiO2，並與傳統抗反射層折射率為 1.8，厚度為 85 nm 的 SiNx做比較，並利用薄膜測厚儀量測其厚度及折射率。

在使用 PECVD 製作抗反射層時，由於 SiNx質地過於鬆散，容易造成後面燒結製程時會被燒穿造成晶片損傷，因此本實驗嘗試改變 PECVD 氣體流量比例以及溫度，

再利用薄膜特性分析儀量測其薄膜厚度，最後再做成元件，量測其電流電壓特性。

關鍵字: 雙層抗反射膜

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Abstract

The main material of solar cell- Silicon has 30% reflectance, mean while there will lose 30% energy when solar rays illuminated through the cell. It not only causes a lot of lost, but also prevents the cell from efficiency enhancement. In order to use the solar rays more efficient and improve the conversion efficiency of solar cell, it is necessary to use antireflection layer to reduce the losses of solar reflection on its surface.

This thesis presents the application of solar cell antireflection layer. The influence of antireflection layer was DLARC (Double Layer Anti-Reflection Coating) was used for antireflection layer of the solar cell. We deposit refractive index=2.5, thickness=60 nm SiNx, then deposit refractive index=1.2, thickness=100 nm SiO2. And measure it by n&k analyzer.

Because of junction damage by sintering process, we change the recipe of PECVD . Finally, we packaging it and testing it’s I/V curve.

keyword: DLARC (Double Layer Anti-Reflection Coating)

(4)

致謝

轉眼兩年的研究所時光就這麼過了，非常感謝我的指導教授的指導，我要向我的指導教授，吳建宏老師致上最高的敬意。感謝過去這兩年中，他們在學業研究與生活上，不停的給我指導與鼓勵。在這二年的學習生涯中，無論是在課業、研究或平日會議時，讓我學習到研究應有的態度和方法，也使我在專業研究以及待人處事上獲益匪淺。另外，也要特別感謝交大電物所林哲緯學長，帶我進入太陽能的領域，對我的照顧、細心的指導與建議，無論是日常生活或是論文研究，我都獲益匪淺，謝謝你們。

接下來是交大博班學長育成、天麟學長，謝謝你們的幫助，另外感謝你們陪我一起修課、做研究，謝謝。還有中華大學的所有同學，包括:聲瑋、邵恒、柏勳、峻孙、易樺、柏勳，學弟、家峻、家富、孟耆、凱強、秉倫、政鴻，謝謝你們的幫忙以及你們帶給我的歡笑，我都不會忘記的。最後，感謝家人在我唸碩士這段期間的支持及鼓勵，

要感謝的人太多…在此對所有在這研究所生涯中曾對我伸出援手的好友們誠心的致上我萬分的謝意！

(5)

………

ⁱ

英文摘要

………

ⁱⁱ

致謝

………

ⁱⁱⁱ

………

^iv

表目錄

………

^vi

圖目錄

………

_vii

第一章緒論

1-1 概述

………

¹

1-2 研究目的動機

………

⁶

第二章太陽能電池基本製成

2-1 基本原理

………

⁸

2-2 基本參數

………

¹⁰

第三章太陽能電池製作流程

3-1 太陽能電池製作流程

………

¹⁷

3-2 製程設備簡介

………

²²

3-3 製程設備簡介二

………

³²

(6)

第四章結果與討論

4-1 電漿輔助化學氣相沉積參數調整

………

³⁴

4-2 光激螢光量測 (量子效應)

………

35

4-3 反射率量測

………

36

4-4 電流電壓量測

………

37

第五章結論與未來展望………

39

參考文獻………

⁴⁰

(7)

表目錄

第一章緒論

表 1-1 目前各種太陽能電池最好之效率在

………

5

第四章太陽能電池量測分析與討論

表 4-1 電漿輔助化學氣相沉積參數調整參數比較

………

34 表 4-2 不同條件鈍化層完成品之電性表

………

38

(8)

圖目錄

第一章緒論

圖 1-1 太陽能電池的分類圖

………

1

圖 1-2 太陽光波長對應能量圖

………

2

圖 1-3 第一顆金屬太陽能電池

………

3

圖 1-4 貝爾實驗室開發之第一顆太陽能電池

………

3

圖 1-5 太陽能電池之發展圖曲線圖

………

6

圖 1-6 太陽能電池各種類發展之效率圖

………

6

圖 1-7 傳統 ARC 在可見光下之反射率圖

………

7

圖 1-7 DLARC 在可見光下之反射率圖

………

7

第二章太陽能電池基本製成

圖 2-1 太陽能電之結構圖

………

10

圖 2-2 光伏特效應圖

………

11

圖 2-3 太陽能電池之能帶圖

………

12

圖 2-4 太陽能電池電壓電流特性曲線圖

………

13

圖 2-5 太陽能電池之等效電路圖

………

14

圖 2-6 太陽能電池電流電壓曲線受 Rsh影響圖

………

15

圖 2-7 太陽能電池電流電壓曲線

………

16

圖 2-8 太陽能電池電流電壓曲線受 R_s和 R_sh影響圖

………

17

圖 2-9 太陽能電池之電流電壓特性曲線

………

17

(9)

第三章太陽能電池製作流程

圖 3-1 實驗流程圖

………

₁₈

圖 3-2 實驗結構圖

………

19

圖 3-3 濕式工作台

………

22

圖 3-4 氧化擴散系統

………

23

圖 3-5 電漿輔助化學氣相沉積系

………

24

圖 3-6 光阻塗佈機

………

25

圖 3-7 真空烤箱

………

26

圖 3-8 光學顯微鏡

………

27

圖 3-9 光罩對準曝光機

………

28

圖 3-10 雙面光罩對準曝光機

………

29

圖 3-11 高密度活性離子蝕刻系統

………

30

圖 3-12 雙電子槍蒸鍍系統

………

31

圖 3-13 螢光光譜儀

………

₃₂

圖 3-14 薄膜測厚儀

………

33

第四章太陽能電池量測分析與討論

圖 4-1 光激螢光量測圖

………

35

圖 4-2 不同材料所製作抗反射層之反射率比較圖

………

36

圖 4-3 不同條件之鈍化層所製作太陽能板的 I/V 比較圖

………

37

(10)

第一章緒論 1-1 概述

看到電視新聞頻道，常常發現會有原油價格飛漲和物價指數緊跟著起舞的新聞，

市場上只要能和節能議題有關，對企業而言幾乎就等同於釋放利多的效果，尤其引領出一股太陽能電池的發展及投資的風潮，而太陽能的應用早已經發展超過五十年的歲月，早在 20 世紀的時候就已經開始研究了，從太陽光直接射在光吸收器上，利用光電效應，在使用的材料上產生微量電位差，再加以蓄積，完成從光變成電的能源轉換工作，這僅是太陽能的基本原理，但在使用太陽能的時候，無頇任何材料，也能達到無污染、無噪音、無廢棄物產生等益處，相當具有環保意識，且以目前矽晶片為主的產品而言，壽命可以達到二十年的使用期，故太陽能源能始終為熱門的科技產業之一，

太陽能電池的總類共分三類，矽晶太陽能電池、三五族太陽能電池、有機太陽能電池。

(如圖 1-1)

圖 1-1 太陽能電池的分類圖[1]

(11)

三五族太陽能電池雖然轉換效率比較高，但成本較高，所以目前大部分用於外太空，而矽晶太陽能電池，雖然轉換效率比較低，但成本便宜，利於研究以及民生上的推廣，所以現在矽晶太陽能電池為太陽能電池發展的主流。矽晶太陽能電池又分為多晶矽太陽能電池、薄膜太陽能電池、單晶矽太陽能電池，其中又以單、多晶的太陽能電池發展較為普遍，因為薄膜太陽能電池轉換效率不高，隨著矽的價格降低，薄膜太陽能電池的低成本優勢也隨著降低，因此本人選擇做單晶、多晶矽太陽能電池之研究，

並且利用雷射做表面粗糙化，進而減少晶片表面入射光之反射，達到提高效率的目的。

太陽能電池是吸收光再轉換成電流，因此光的吸收是我們研究的重點，除了改變電池表面之結構去增加光之吸收外，選擇何種材料，如何做材料的搭配以達到最好的光吸收效果，這也是一個重要的議題。(如圖 1-2)

圖 1-2 太陽光波長對應能量圖[2]

(12)

太陽能電池起初是從 1940 到 1950 年間的第一顆金屬電池開始的(如圖 1-3)，受到金屬的特性影響，只有能量是紫外線以上的光子才能被吸收，而太陽光紫外線以上的輻射只占所有光的一小部分，因此效率一直不超過 1%，一直到 1954 年貝爾實驗室才開發出太陽能電池(如圖 1-4)，而後數十年間太陽能電池才快速的發展(如圖 1-5) [3-4]。

圖 1-3 第一顆金屬太陽能電池[3]

圖 1-4 貝爾實驗室開發之第一顆太陽能電池[3]

(13)

圖 1-5 太陽能電池之發展圖曲線圖[3]

到目前為止各種太陽能電池之最高效率如圖 1-6、表 1-1，單晶矽效率可以做到 24%，多晶矽效率可做到 20%，薄膜電池效率可做到 16.7%，而最高的太陽能電池效率可以達到 42.4%。[5-6]

圖 1-6 太陽能電池各種類發展之效率圖[5]

(14)

表 1-1 目前各種太陽能電池最好之效率在 AM1.5 光譜(1000W/m²)25℃之情況[6]

(15)

1-2 研究目的動機

矽太陽能電池仍是目前佔有最大市場的產品，無論是單晶或是多晶矽太陽能電池都能以簡單的製程製作並可以穫得穩定的光電轉換效率，提升太陽能電池的轉換效率及降低其發電成本是太陽能電池研究的方向，太陽能光只要從一介質進入到另一介質皆會造成反射。太陽能電池的主要材料矽的反射率為 30%，也就是入射的能量有 30%

的損失，所以在太陽能電池的表面，會鍍上一層抗反射層，主要的作用在於讓太陽能吸收的過程當中，僅少量的反射減少太陽能電池光能流失。

由於太陽光包含了許多不同波長的電磁波且太陽光有各種方向的入射光，因此一個理想的抗反射層必頇具備全波長的抗反射特性，及大角度入射時仍有良好的抗反射效果，抗反射層做得越好，所能運用的光能自然更多，這也是太陽能電池的製造關鍵太陽能電池可以使用折射率不同的各種材料作為抗反射層，如果能發展出最適合的材質，在太陽能電池轉換效率的提昇上必是一大進步。太陽電池一般是使用氮化矽（SiNx）來形成抗反射層(如圖 1-7)，它不僅能有效的減少入射光的反射而且還有鈍化層的作用而甚至能保護太陽電池，有防刮傷、防濕氣功能，目前商業生產的太陽能電池已將 SiN_x鍍膜製程視為一標準化的抗反射層鍍膜製程。而本論文探討的主題就是利用雙層抗反射層薄膜，經過爐管退火溫度後之太陽能電池，具有矽量子點效應提升太陽能電池的效率並保有抗反射的效用(如圖 1-8)。

(16)

圖 1-7 傳統 ARC 在可見光下之反射率圖 [7]

圖 1-8 DLARC 在可見光下之反射率圖 [7]

(17)

第二章

太陽能電池基本製成 2-1 基本原理

太陽能電池的基本結構主要是由 P-N 接面二極體與電極所組成的，先用濕是蝕刻的方式將 P 型半導體做表面粗糙化，再高溫沉積磷(P₂O₅)，形成 PN 接面，然後正面再覆蓋抗反射層降低反射率，最後正、背面鍍金屬線當電極(如圖 2-1)。

圖 2-1 太陽能電之結構圖[8]

太陽能電池主要的傳導機制是利用光伏特效應 (photovoltaic effect)，效應產生可輸出功率的電壓伏特值。當半導體吸收光子後會在內部產生電子-電洞對，然後電子電洞對被 P-N 接面所形成的內部電場分離，電子和電洞往相反方向傳入各自的電極形成電流(如圖 2-2)。

(18)

圖 2-2 光伏特效應圖[8]

詳細的說，當光照到 P-N 接面時，在空乏區中，能量大於能隙的光子所產生的電子-電洞對，會受內建電場的影響，電子往 N 型半導體漂移，電洞往 P 型半導體漂移，產生由 N 到 P 的漂移電流(如圖 2-3)，而在空乏區外的光子會產生少數載子的擴散電流，將靠近空乏區之電子和電洞往空乏區流動，再經由空乏區的內建電廠影響，

產生由 N 到 P 的漂移電流。這些 N 型與 P 型半導體的擴散電流與內建電場所形成的漂移電流的總合就形成了光電流。

(19)

圖 2-3 太陽能電池之能帶圖[8]

2-2 基本參數

一個理想的太陽能電池，在未照光的情況下的可視為二極體，其電流電壓特性為

I = I

₀

e

^{V Vt}

− 1

(2 − 1) 其中 I 為暗電流，Io 為飽和電流，V 為元件之電位差，Vt=KT/q，K 為波茲曼常數，

T 為絕對溫度。

當太陽能電池照光後，P-N 接面的內建電場是由 N 型到 P 型，形成由 N 型流到 P 型之光電流，而一般二極體之正電流為 P 型流到 N 型，因此太陽能電池的電壓電流關係可視為理想二極體加上負向光電流 I_L

I = I

₀

e

^{V Vt}

− 1 − I

_L (2 − 2) 其中假設開路電壓(Voc)為理想值(I = 0) 得到

Voc =

^KT_q

ln

^I_I^L

o

+ 1

(2 − 3) 並且可畫出太陽能電池電壓電流特性曲線圖(如圖 2-4)。當負載變成短路時，電壓為 0 電流最大，此時的電流稱為短路電流 Isc。當負載變成開路時，電壓差最大，而電流

(20)

為 0。

圖 2-4 太陽能電池電壓電流特性曲線圖[9]

但是太陽能電池並沒有那麼理想，任何半導體材料本身都會有或多或少之電阻形成串連電阻，而且太陽能電池中還存在著非經由理想 PN 二極體的其他電流通道造成漏電的現象，例如:表面複合電流、邊緣的測漏電流，造成並聯電阻的產生，因此我們可以得到太陽能電池考慮串連電阻與並聯電阻之電流電壓關係式

I = I

_L

−I

_s

{exp

^{e V+IR}_KT ^s

− 1} −

^V+IRs_R

sh (2 − 4) 並且得到一個由二極體、串聯電阻與並聯電阻所組成的太陽能電池等效電路圖(如圖 2-5)。

(21)

圖 2-5 太陽能電池之等效電路圖[8]

當照射強度大時，除光電流外，p-n 接面之順向偏壓電流 IF之數值亦會增加，即

I

_F

≫

_R^V^F

sh (2 − 5) 受串聯電阻影響較大，並聯電阻影響較小，因此又表示為

I = I

_L

−I

_s

{exp

^{e V+IR}_KT ^s

− 1}

(2 − 6) 由上式可得，串連電阻對電壓 V 不會造成影響，但會使輸出之總電流變小。此外，通常並連電阻很大，其影響可以忽視，但當照射強度變弱時，p-n 接面之順向偏壓電流較小，此時並聯電阻比串連電阻更受影響，所以上式可改寫為

I = I

_L

−I

_s

exp

_KT^eV

− 1 −

_R^V

sh (2 − 7) 串聯電阻之計算方式可由電流電壓特性曲線兩點之間電流之差與電壓降可計算出

R

_s

=

^|V_|I²^−V¹^|

2−I₁| (2 − 8) 太陽能電池等效電路中 Rs與 Rsh為影響太陽能電池輸出的重要因素。其中，並聯電阻(R_sh)不會影響短路電流 Isc，但會降低開路電壓 Voc 的值，隨著 R_sh越大，IV 曲線之斜率也越小，Voc 值會越來越小 (如圖 2-6)，而串連電阻不會影響開路電壓 Voc

(22)

的大小，但會造成短路電流 Isc 的衰減，隨著串聯電阻越大，IV 曲線之斜率也越小，

短路電流的值會越來越小(如圖 2-7)，綜合上述，受並聯電阻與串連電阻的影響會造成填充因子 FF 的下降，進而導致效率的下降(如圖 2-8)。

圖 2-6 太陽能電池電流電壓曲線受 Rsh影響[10]

(23)

圖 2-7 太陽能電池電流電壓曲線受 Rs影響[10]

圖 2-8 太陽能電池電流電壓曲線受 Rs和 Rsh影響圖[10]

(24)

太陽能電池的參數中還有一個很重要之參數，填充因子(FF)，此參數是由開路電壓(Voc)與短路電流(Isc)所決定之參數，其值對太陽能電池之輸出效率有很大的影響。

其公式為太陽能電池之最大輸出功率與短路電流(Isc)和開路電壓(Voc)之比值:

FF =

^V_V^mp^xI^mp

ocxI_sc (2 − 9) 並且由圖 2-9 可看出填充因子(FF)就是電流電壓曲線所圍成之最大面積，因此填充因子(FF)越大，則輸出之功率越高。

圖 2-9 太陽能電池之電流電壓特性曲線[9]

另外影響太陽能電池的效率還有幾個因素如下:

1. 表面再接合損失:

光子所產生之電子電洞對，可能會在表面產生再結合之現象，使原本所產生之電子電洞對的數目下降，導致電流下降。

2. 內部再接合損失:

光產生之電子，因為太陽能電池材料內部的缺陷產生再結合之損失。

(25)

3. 電壓因子損失:

光產生之載子，在 p-n 接面處受到空乏區內部的影響產生電荷的分極化，產生新電場進而影響到因摻雜物擴散所產生之內部電位大小。

4. 反射率損失:

由於太陽能電池之材料無法完全吸收太陽光，部分太陽光會由電池表面反射出去進而造成效率之損失。因此許多實驗都在研究如何降低光線之反射，進而達到效率之提升，本實驗也是利用改善表面粗糙化，達到降低入射光之反射，達到提升效率之效果。

(26)

第三章

實驗流程與設備介紹

太陽能電池製程需要高精度及高性能的實驗設備，若實驗設備性能不佳，新的太陽能電池設計概念無法落實。本章亦針對相關之製造與測試設備加以介紹，以凸顯其重要性。

3-1 實驗流程

圖3-1為本論文設計之太陽能電池製作流程圖，實驗步驟可分為：表面粗糙化 (Surface Texturization)、磷擴散(Phosphorus Diffusion)、沉積鈍化層(Passivation Layer)、

保護層(Protective Layer)、鍍製抗反射膜(DLAR Films)、網印(Screen Printing)電極、燒結(Firing)、邊緣絕緣(Edge Isolation)處理，詳細說明如下。

步驟1：選定晶圓 (Select Wafer)

本實驗使用合晶公司所生產的五吋單晶矽，電阻率為0.5~3Ω-cm，厚度為200μm，

已摻雜硼(Born-doped)之p型晶圓矽晶片。

步驟2 : 表面粗糙化處理 (Surface Texturization)

在晶片切割過程中，原本的結晶晶格會被破壞，對太陽能電池之電子-電洞傳輸有不良影響。因此採用溼式化學蝕刻方式，去除結晶晶格遭破壞之部份。另一方面，

為了增加受光面積、減少因晶片表面平坦，入射光無法被完全吸收之損失，需將晶片表面粗糙化。在晶片表面形成粗糙化結構，如圖3-2。與表面平坦化相比，此結構可增加光之有效路徑長度，提高矽晶片對入射光之吸收，有助於元件之轉換效率提升。

(27)

圖 3-1︰本論文設計之太陽能電池製作流程圖 Surface texturization

Phosphorus Diffusion

Rear laser opening Passivation layer

DLARC rear passivation layer

Anti-reflection films

Screen printing

Firing

Edge isolation

Wafer selection

(28)

圖 3-2︰本論文設計之太陽能電池製作結構圖 Wafer selection

Surface texturization

Phosphorus Diffusion

Passivation layer

SiN

x

protective rear passivation layer

DLARC films

Screen printing

Firing and isolation

BSF Ag

Al

(29)

步驟 3: 磷擴散(Phosphorus Diffusion)

此步驟為太陽能電池之重要製程，在p-type之矽晶片中利用高溫擴散方式形成p-n 接面。首先在高溫爐管中通入反應氣體，反應氣體一般採用POCl3，另外再通入O2，

使POCl3與氧氣反應產生P2O5，在高溫下進行擴散，形成n-type的磷摻雜層。

步驟 4: 鈍化層

沉積鈍化層可以減少表面復合速率，提升載子生命週期，本論文利用SiN_x製作鈍化層。

步驟 5: 背面SiN

x

保護

背面網印鋁膠後需要高溫燒結，使電極形成良好的接觸，但是高溫燒結會使鋁膠燒穿鈍化層，失去鈍化效果，本研究利用SiNx保護鈍化層，防止鋁膠燒穿鈍化層。

步驟 6: 鍍製抗反射膜

為減少入射光的反射，除了表面粗糙化外，再鍍兩層抗反射膜可增加良好的效果。

運用合適的抗反射膜，在可見光區，可使反射率降到接近0 %。此製程使用電漿增強化學氣相沉積( Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)法，沉積溫度為 400oC、時間5秒、厚度為5.4 nm的氮化矽薄膜以及沉積溫度為400oC、時間25秒、厚度為4.1 nm的a-Si薄膜交叉層疊共12層60 nm，並將400 oC、時間1分40秒、厚度為100 nm的二氧化矽薄膜。此薄膜除了可當抗反射層外，因本身含有氫，對於矽晶片本體 (Bulk)與表面(Surface)還有鈍化的作用[10, 11]。

步驟 7 : 網印電極

為了能夠將光電流導出，在電池之正、背面，採用網印銀膠與鋁膠的方式，印出電極圖案。目前太陽能電池正、背面電極均採用濺鍍(Sputtering)與網印電極兩種方法。

此為目前大面積太陽能電池的主流工法，其原因為網印的速度快且成本低，不需黃光製程。濺鍍電極的方法需在真空狀態下，而且無法大量快速製造，非常耗時、成本高，

不適用於商業大面積太陽能電池的生產。

(30)

步驟 8 : 燒結

當電極網印完成時，需以高溫燒結，將網印膠中的有機溶劑與樹脂燒掉，並穿過抗反射膜，形成銀矽與鋁矽的合金，目的為使金屬與矽晶片有良好的接觸，降低光電流在傳輸中的損失。

步驟 9 : 邊緣隔離

經過邊緣隔離的方式，將邊緣因磷擴散所造成的n-type結構去除，以防止太陽能電池因正、背短路造成漏電流，降低效率。

(31)

3-2 製程設備簡介

太陽能電池製程之相關設備種類繁多，在此介紹本研究所使用的重要設備，並輔以設備照片，以求完備。

3-2-1 濕式工作台

此設備主要功用為矽晶片清洗、酸蝕刻、鹼蝕刻等，而蝕刻槽上方裝設排氣系統，

以快速帶走酸、鹼溶液所產生之氣體，避免不良影響。交大奈米研究中心主要設有 4 區，分別為 SC1、SC2、有機、自行操作區，製造廠商為宥誠科技股份有限公司，如圖 3-3。

圖 3-3 濕式工作台

(32)

3-2-2 氧化擴散系統

此設備有以下可用之功能，濕氧氧化、乾氧氧化及 N2O 氧化之氧化層成長、

各種金屬矽化物的形成、n⁺型及 p⁺退火、金屬鋁的退火，最後還有磷擴散系統。

爐管主要區分有 Wet oxide、Dry oxide、Phosphorous predeposition、P-type (Boron) annealing & N-type (Phosphorus, Arsenic) annealing、Al Sintering、BPSG Reflow、

Silicidation 等，以上皆為平行爐管，重要注意事項為升溫時頇分段加溫、有氫氣製程時開開氣體前頇注意進氣口溫度要高於 800 度、氣體的轉換記住一個重點爐管內隨時保持氣體在流動等。

圖 3-5 氧化擴散系統

(33)

3-2-3 電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)

此設備的用途在，沉積 SiO2、SiNx以及 CF4 Plasma 為最主要的機台使用目的。

廠牌型號為 PD-220N，操作儀器前需要刷卡登入，且重要製程參數不能隨意更動 (Program1-10)，可自行操作並新增 recipe，如本篇論文研究中所更動參數包含 RF power、

腔體溫度、製程氣體參數等，可使用晶圓尺寸為破片至 6 吋，重要注意事項為累積製程厚度超過 30000Å 時，頇做 CF4以及 O2 Plasma 的清腔動作，以維持機台製程的穩定。

圖 3-6電漿輔助化學氣相沉積系統

(34)

3-2-4 微影系統

此設備有一整套完整之機台可供使用，包括光阻塗佈機、真空烤箱、光學顯微鏡、

光罩對準曝光機、雙面光罩對準曝光機 3-2-4-1 光阻塗佈機

此設備用途在晶圓上塗佈光阻，使用前頇開啟電源，接下來使用控片調整轉數，

測試完吸力沒問題，即可使用 FH6400 正光阻塗佈。

圖 3-7 光阻塗佈機

(35)

3-2-4-2 真空烤箱

烤箱能烤去晶片上多餘水氣，HMDS 改善有機物光阻和基材間的附著力，

使親水性表面的晶片能很均勻塗佈上光阻，特別是對金屬和 SiO₂ 有效。

圖 3-8 真空烤箱

(36)

3-2-4-3 光學顯微鏡

在硬烤之前需要先用顯微鏡觀察圖形是否正常，此步驟叫顯影後檢查(ADI)，如果發現顯影不正常，可以使用IPA洗去光阻重新上光阻曝光，也可用此觀察蝕刻後或光罩圖案狀況。

圖 3-9 光學顯微鏡

(37)

3-2-4-4 光罩對準曝光機

此設備用途在將光罩上的圖型曝光在晶圓上，又可稱為 Aligner，其光罩規格為 5"x5"或 4"x4"，可用晶片為破片至 4”wafer，汞燈光源為 350nm~450nm，使用前頇等待汞燈光源穩定 30 mins，注意事項為 contact 後嚴禁調整軸心，會嚴重影響機件。

圖 3-10 光罩對準曝光機

(38)

3-2-4-5 雙面光罩對準曝光機

此設備用途在將光罩上的圖型曝光在晶圓上。

圖 3-11 雙面光罩對準曝光機

(39)

3-2-5 高密度活性離子蝕刻系統

此設備用途剛開始製程時，必頇在第一道黃光製程上開出一道 Alignment key，

以利於後續的黃光製程。儀器使用氣體包含 BCl₃、Cl₂、CF₄、CHF₃、Ar、O₂、SF₆， ICP RF，最大功率 900W，Bias RF 最大功率 300W，以 He gas 系統冷卻，4" wafer 為主。

圖 3-12 高密度活性離子蝕刻系統

(40)

3-2-6 雙電子槍蒸鍍系統

此設備用途在晶圓上最多可以鍍上多層的薄膜，材料上許多種類可以蒸鍍，如 W、

Ti、Al、Si、Ni、Pt、Pd、TiO₂等。

圖 3-13 雙電子槍蒸鍍系統

(41)

3-3 製程設備簡介二

3-3-1 螢光光譜儀 (Photoluminescence)

儀器廠牌型號: FP6600，可量測 Phosphorescence。由於機台位於南部 NDL，本實驗以委託代工量測。

圖 3-14 螢光光譜儀

(42)

3-3-2 薄膜測厚儀 (n&k 1500 ANALYZER)

儀器廠牌型號: n&k 1500，可量測 Si wafer 薄膜之厚度，可量測大小: > 5cm x 5cm。

圖 3-15 薄膜測厚儀

(43)

第四章結果與討論 4-1 電漿輔助化學氣相沉積參數調整

太陽能電池的抗反射層在燒結時會影響到最後電性，但原始參數鍍率過高(1.8 A/s)以致於材質不夠緻密，在鋁燒結製程時會導致燒穿，於是針對氣體流量比例、RF power、鍍膜時間來尋找最佳鍍率

表 4-1 PECVD 參數比較

測試片 Time(sec) SiH4(sccm) NH3(sccm) RF(W) NK(A) Rate(A/s)

#1 450 25 200 100 807.78 1.79

#2 700 25 200 40 1203.27 1.71

#3 700 25 200 60 1167.36 1.66

#4 700 25 200 80 1169.53 1.67

#5 700 13 104 100 568.08 0.81

#6 700 19 152 100 915.96 1.30

由表 4-1 可得知在矽甲烷(silane)與氨氣(ammonia)比例為 19:152 sccm、RF 100 W 的條件下可以得到最佳鍍率 1.30 A/s。並且在 n-k 測得 2.54 接近模擬 DLARC 最佳值 2.5。

(44)

4-2 光激螢光量測 (量子效應)

在經過折射率確定條件後，接下來測試以下條件，分別是 a-Si 5.4 nm、6.5 nm、

7.6 nm、8.7 nm、9.7 nm 的 DLARC 測試片，以及傳統氮化矽 80 nm 的試片，經過螢光光譜儀量測出如圖 4-1

圖 4-1 光激螢光量測圖

由圖 4-1 可得知在 a-Si 5.4 nm 的 DLARC 測試片可在 620 nm 波長看到激光效應，

也驗證量子效應在 DLARC 上的應用。

(45)

4-3 反射率量測

如圖 4-3 所示，

在拋光過(Polish)的晶圓表面很平整所以反射率比較高，至少都高於 30%，而粗糙化過(Texture)的金字塔表面則顯得好很多，在可見光區最低只有 18%左右，而標準太陽能電池的抗反射層氮化矽薄則明顯好很多，在波長 400~600 nm 部分都趨近於 0，而本研究所疊的 DLARC 表現卻更好，不管在短波長到長波長部分都勝於標準太陽能電池。

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圖 4-2 不同材料所製作抗反射層之反射率比較圖(太陽能元件)

(46)

4-4 電流電壓量測

現行網印太陽能電池於量產時，常會有部分產品因導電漿料與矽材料的燒結不完全導致降低轉換效率，造成生產線良率降低。因此在鈍化層材料上必頇做出選擇，如圖 4-4 所示，當氮化矽薄膜 30 nm/DLARC 時所得到的數值都優於傳統氮化矽薄膜。

圖 4-3 不同條件之鈍化層所製作太陽能板的 I/V 比較圖(太陽能元件)

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表 4-2 不同條件鈍化層完成品之電性表

Name Voc (V) Isc (A) F.F (%) Cell eff (%)

As-deposited 0.42 5.12 27.5 3.98

SiNx 0.62 5.4 73.27 16.38

SiNx 6 nm/DLARC 0.52 5.17 31.34 5.61 SiNx 12 nm/DLARC 0.61 5.31 46.73 10.2 SiNx 24 nm/DLARC 0.63 5.41 63.32 14.42 SiN_x 30 nm/DLARC 0.63 5.49 75.59 17.65

最後完成如表 4-2 所示，在完成太陽能成品後所量測得到的數據，不管是 Voc、

Isc、F.F.、Cell eff.條件下，SiNx 30 nm/DLARC 都比傳統抗反射層數據為優，顯示雙層抗反射層膜的確有發揮其改善太陽能發電效率的特性。

(48)

第五章

結論與未來展望 5-1 結論

最後我們完成以 PECVD 成長 SiO2 100 nm 為上層、(α-Si 5.4 nm、SiNx 4nm)為下層的 5 吋太陽能電池抗反射膜的設計、薄膜成長、及薄膜光學特性量測與分析，製作出的太陽能電池最高轉換效率 17.65%、FF= 75.59%、Voc=630 （mV）、Isc=5.49（A），

我們與氮化矽（SiN_x）抗反射膜的太陽能電池最高轉換效率 16.38%、FF= 73.27%、

Voc=620（mV）、Isc=5.4（A）做比較，效率上都比傳統太陽能電池要好得多。

5-2 未來展望

雖然比起傳統太陽能電池效率要好，但能然有以下兩點可做更好的提升。

1. 改變PECVD RF power製作出較不會傷害junction表面的抗反射層。

2. 在折射率部分能夠調整至更貼近於理想值。

(49)

參考文獻

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“太陽能電池” ，五南圖書出版股份有限公司。

利用矽量子點製作抗反射層改善單晶矽太陽 能電池之研究

中 華 大 學 碩 士 論 文