臺灣博碩士論文加值系統

本論文乃研究多晶矽薄膜太陽電池之製程技術，詳細的規劃各結構的製程步驟，期望能獲得高的轉換效率，而電池本體採用介層洞之蝕刻促使薄膜分離(Via Hole Etching for the Separation of Thin films, VEST)太陽電池結構，不只降低了製作太陽電池的成本，也達到模組化的效果。本研究利用LPCVD在有二氧化矽的單晶矽晶片上成長多晶矽薄膜，在多晶矽表面蒸鍍一層鋁薄膜，將樣品和磷擴散片放入一退火爐管作雜質吸附(Gettering)，讓磷吸附p基板的雜質，讓p基板更純。接著再用RIE蝕刻成介層洞結構。另外，在表面成長抗反射層，減少光線的反射，增加光線吸收。本研究使用熱退火的方式模擬區域熔融再結晶(ZMR)，證實晶粒大小及粗糙度隨著溫度與時間的增加而變大及變的更平滑。本研究太陽電池之雜質摻雜係利用硼片或磷片做高溫固態擴散。由於自然太陽光譜短波長光有較強之強度，且為了吸收短波長光所生成之載子，避免載子到達接面及先行復合，使用高溫固態擴散形成淺接面，以吸收短波長之光源。本研究經由PC1D的模擬，效率可以達到8.2%，若再經過鈍化(Passivation)的處理，效率可望突破10%。

This work has studied on the poly-crystalline silicon thin film solar cell process development. Baseline process flow of the thin film solar cell has been designated to achieve high conversion efficiency. Basically, Via hole Etching for the Separation of Thin film (VEST) structure is used for the solar cells which not only is of modular process but also can reduce the manufacturing cost. This work utilized LPCVD to deposit poly-crystalline silicon thin film on a single-crystalline silicon wafer with a thin SiO2 film on it. Thermal evaporation was used to deposit Al thin film on the poly-crystalline silicon thin film and then annealed with a phosphorous doping disk for the gettering. The phosphorous atoms can getter the impurities from the p-type silicon substrate to have a purer substrate. RIE was then used to etch Via-hole structure in the poly-Si film. Besides, antireflection coating of SiO2 layer has been used to reduce the light reflection on the cell surface and to increase the light absorption. This work used thermal annealing to replace the ZMR, which has proved that the grain size and the surface roughness became larger and the surface became smoother with increased anneal temperature and anneal time. This work used boron or phosphorous doping disk for the solid-source thermal diffusion and doped impurities in the solar cell. The solar spectrum on earth’s surface has larger intensity for the shorter wavelengths. In order to collect the photo-carriers generated by the short-wavelength light and to reduce the carrier recombination, a shallow junction is required for the solar cells. Simulation by PC1D in this work, efficiency can be achieved as high as 8.2% for the VEST solar cells. VEST cells with further passivation process can achieve a efficiency of 10%.

目錄 頁次
中文摘要……………………………………….……………………………… i
英文摘要………………………………….……………….…………………… ii
誌謝………………………………….……………….………………………… iv
目錄……………………………….……………….…………………………… v
表目錄………………………………….……………….……………………… ix
圖目錄………………………………….……………….……………………… x
第一章 緒論……………..………………….……………….……… 1
1.1 前言……………..………………….………….………….………. 1
1.2 研究動機與目的……………..………………….……………..….3
第二章 基本理論……………..…………….……………….………4
2.1 半導體之光導效果………………………………….…………… 4
2.2 多晶矽中的傳導……………..………………….…………..…… 5
2.3 太陽電池發電原理………………..……………….………..…… 6
2.3.1 基本原理……………...……………………….……………….… 6
2.3.2 光電流……………..………………….……………….……..…. 7
2.3.3 暗電流………………………………….……………….……….… 7
2.3.4 開路電壓與短路電流……………..………………….…..……… 9
2.3.5 太陽電池輸出功率與效率轉換……………..…………..………. 9
2.4 提升效率的方法……………..………………….………..……. 11
2.4.1 光譜響應……………..………………….……………….…..……11
2.4.2 串聯電阻……………..………………….……………….…..…… 11
2.4.3 後表面電場結構……………..………………….…………..……. 11
2.4.4 粗糙化處理……………..………………….………………...….…12
2.4.5 抗反射層塗佈………………...……………….……………..….…12
2.4.6 降低電池溫度……………..………………….……………..…..…13
2.5 相關文獻探討……………..………………….……………..….. 14
2.5.1 多晶矽薄膜太陽電池VEST結構……………..……………..….. 14
2.5.2 新式VEST cell 設計……………...…………………………..…..14
2.5.3 VEST cell的效率提升方法……………..……………………….. 15
2.5.4 高效率多晶矽太陽電池……………..………………….…..……. 15
2.5.5 多晶矽太陽電池之氫鈍化……………..……………………...…. 15
2.5.6 多晶矽太陽電池之雜質吸附……………..…………………...…. 16
第三章 研究方法與實驗………….…..………………….….… 17
3.1 研究方法………………………………………………… 17
3.1.1 材料之選擇…………………………………………………17
3.1.2 雜質吸附之研究……………………………………………17
3.1.3 介層洞結構及粗糙化之製作………………………………17
3.1.4 p-n接面之製作……………………………………………18
3.1.5 抗反射層之塗佈 (ARC)……………………………………19
3.2 儀器設備之介紹………………………………………… 20
3.2.1 高溫氧化擴散爐系統……………………………………. 20
3.2.2 旋轉塗佈機…………………………………………………20
3.2.3 光罩對準儀…………………………………………………20
3.2.4 n ﹠k 薄膜測厚儀…………………………………………21
3.2.5 熱烤盤………………………………………………………21
3.2.6 熱風循環烘箱………………………………………………21
3.2.7 電子天平……………………………………………………22
3.2.8 光學顯微鏡…………………………………………………22
3.2.9 恆溫循環水槽………………………………………………22
3.2.10 掃瞄式電子顯微鏡………………………………………… 23
3.2.11 X光繞射儀………………………………………………… 23
3.2.12 原子力顯微鏡………………………………………………24
3.2.13 熱蒸鍍系統…………………………………………………24
3.2.14 去離子水裝置………………………………………………25
3.2.15 高溫管狀退火爐……………………………………………25
3.2.16 表面粗度儀…………………………………………………25
3.2.17 展佈電阻量測系統…………………………………………26
3.2.18 低壓化學氣相沉積…………………………………………26
3.2.19 電漿輔助化學氣相沉積……………………………………26
3.2.20 氧化擴散爐系統……………………………………………27
3.2.21 反應性離子蝕刻系統………………………………………27
3.3 太陽電池之實作…………………………………………28
3.4 軟體模擬…………………………………………….…… 30
3.4.1 模擬軟體之介紹…………………………………………… 30
3.4.2 模擬軟體之操作…………………………………………… 30
第四章 結果與討論…………….……………………………………31
4.1 晶粒大小之探討…………….…………………...………31
4.2 基底之形成與雜質吸附之探討……………………………33
4.3 介層洞及粗糙化之製作……………………………………34
4.3.1 以乾氧化法成長1500Å之SiO2…………………………… 34
4.3.2 以PECVD沉積5000Å之SiO2…………………………..… 34
4.3.3 以濕氧化法成長5000Å之SiO2…………………………. 34
4.3.4 無遮罩層-粗糙化………………………………………… 35
4.3.5 以RIE蝕刻介層洞結構…………………………………… 35
4.4 p-n接面形成之探討…………………………………………37
4.5 抗反射層之探討…………………………………………… 38
4.6 模擬結果之探討…………………………………………… 39
第五章 結論…………………………………….……………….…… 41
第六章 未來展望…………………………………….………………. 42
參考文獻……………………………….……………….………………...……43
附錄………………….……………….……………………...…………………132

[1].陳宏仁、王立義、邱文英，91年12月，”.有機太陽電池之發展現況”，工業材料雜誌 192期，頁102~113。
[2].J.A. Carlin S.A. Ringel, A.Fitzgerald, M.Bulsara, 2001, “High lifetime GaAs on Si using GeSi bulers and its potential for space photovoltaics”, Solar Energy Materials & Solar cells 66, pp621-630.
[3].A. Freundlich, F.Newman M.F. Vilela, C.Monier , L.Aguilar, S. Street, 2000, “Development of GaAs space solar cells by high growth rate MOMBE/CBE”, Journal of Crystal Growth 209, pp481-485.
[4].W. Hoagland, 1995, “Solar energy”, Sci. Amer, vol.273, pp.170-173.
[5].G.R Davis, 1990, “Energy for planet earth”, Sci Amer, vol. 263, no. 3, pp21-27.
[6].許巧玲 91年12月，”二十一世紀的新能源-太陽電池”，工業材料雜誌192期，頁89~95。
[7].K. N. Amulya and J. Goldemberg, 1990, “Energy for the developing world”, Sci Amer, vol 263, no.3, pp63-71.
[8].J.K.Rath, 2003, “Low temperature polycrystalline silicon “a review on deposition, physical properties and solar cell applications”, Solar Energy Materials & Solar Cells, vol 76, pp431-487.
[9].H.L.Hsiao, H.L. Hwang, A.B.Yang, L.W. Chen, T.R. Yew, 1999, “Study on low temperature faceting growth of polycrystalline silicon thin film by ECR downstream plasma CVD with different hydrogen dilution”, Applied Surface Science, vol 142, pp. 316-321.
[10].郭禮青 91年2月，”太陽光電技術之介紹”，工業材料雜誌 182期 頁137~140。
[11].廖億豐 93年6月，”準分子雷射製程之多晶矽薄膜太陽電池製作”，國立雲林科技大學電機所碩士論文。
[12].莊嘉琛，”太陽能工程-太陽電池篇”，全華出版社。
[13].David J. Grant, 2002,”Low temperature Processing of Polycrystalline Silicon Films using Laser Crystallization” Dr. Andrei Sazonov, Department of Electrical & Computer Engineering University of Waterloo.
[14].Tomas Markvart, 1994, Solar Electricity”, John Wiley & Sons, New York.
[15].林螢光，”光電子學-原理、元件與應用”，全華出版社。
[16].D.A.Neamen, “Semiconductor physics &devices”, 2nd edition, McGraw-Hill.
[17].紀國鐘、蘇炎坤，”光電半導體技術手冊(上)”，台灣電子材料與元件協會出版。
[18].周志鵬，1999，”高效率單晶矽太陽電池之結構設計與研製”，國立雲林科技大學電子與資訊工程研究所碩士論文。
[19].H. Morikawa, Y. Kawama, Y. Matsuno, S. Hamamoto, K. Imada, T. Ishihara, K. Kojima, T. Ogama, 2001, “Development of high-efficiency thin-film Si solar cells using zone-melting recrystallization” vol65, pp261-268.
[20].M. Deguhi, Y. Kawama, Y. Matsuno, Y. Nishimoto, H. Morikawa, S. Arimoto, H. Kumabe, T. Murotani, 1994, “PROCEPT OF THE HIGH EFFICIECY FOR THE VEST(Via-hole Etching for the Separation of Thin films) CELL”, pp1287-1290.

[21].H. Morikawa, Y. Nishimoto, H. Naomoto , Y. Kawama, A. Takami, S. Arimoto, T. Ishihara, K. Namba, 1998, “16.0% Efficiency of large area (10cm ×10cm) thin film polycrystalline silicon solar cell”, vol53, pp23-28.
[22].Hussam Eldin A. Elgamel, 1998, “High-efficiency polycrystalline silicon film solar cells” vol 53, pp269-275.
[23].Ralf Ludenmann, 1999, “Hydrogen passivation of multicrystalline silicon solar cells” ,vol 58, pp86-90.
[24].SRINIVASAMOHAN NARAYANAN, STUART R. WENHAM, MARTIN A. GREEN, 1990, “17.8-Percent Efficiency Polycrystalline Silicon Solar Cells”, vol 37, NO. 2, pp382-384.
[25].M. P. Thekaeara, 1974, “Data on Incident Solar Energy”, Suppl. Proc. Zoth. Annu. Meet. Inst. Environ. Sci, p. 21.
[26].D. M, A. C, A. K, Y. N, 2002, “PHOSPHORUS GETTERING IN MULTICRYSTALLINE SILICON STUDIED BY NEUTRON ACTIVATION ANALYSIS” Presented at the 29th IEEE PVSC, New Orleans.
[27].M.A. Green J. Zhao, 1990, “24% efficient silicon solar cells”, Appl. Phys. Lett. 57, pp602-604.
[28].P. Campbell, S. R. Wwnham, and M. A. Green, “Light trapping and reflection control with tilted pyramids and grooves”, in Conf. Rec.20th IEEE Photovolt. Special Conf. (Las Vegas), p713.
[29].李世鴻，87年10月，”積體電路製程技術”，初版，五南圖書出版公司。
[30].張勁燕，2000，”半導體製程設備”。
[31].J. Y. Lin, Annual report of NSC85-2313-E-224-001, Nov 1996.
[32].汪建民，”材料分析’，中國材料科學學會。
[33].郭正次、朝春光，93年4月，”奈米結構材料科學”，全華科技圖書股份有限公司。
[34].莊達人，92年12月，”VLSI製造技術”，高立圖書有限公司。
[35].http://www.pv.unsw.edu.au/Links/pc1d.asp
[36].A. Takami, S. Arimoto, H. Naomoto, S. Hamamoto, T. Ishihara, H. Kumabe, T. Murotani, 1994, “THICKNESS DEPENDENCE OF DEFECT DENSITY IN THIN FILM POLYCRYSTALLINE SILICON FORMED ON INSULATOR BY ZONE-MELTING RECRYSTALLIZATION”, pp1394-1397.
[37].H.Y, H.W, G.C, H.Y, J.X, 2002, “A study of electrical uniformity for monolithic polycrystalline silicon solar cells”, Solar Energy Materials ＆ Solar Cells 71 pp407-412.
[38].K.M, B.P, J.C.M, 1996,“P/Al co-gettering effectiveness in various polycrystalline silicon” Solar Energy Materials ＆ Solar Cells 46, pp123-131.
[39].N.K, M.H, M.H, A.B.J, B.O, H.E, B.B, A.S, R.B, 2005, “Gettering impurities from crystalline silicon by phosphorus diffusion using a porous silicon layer” Solar Energy Materials ＆ Solar Cells 87, pp605-611.
[40].http:// www.mems-exchange.org/catalog/P2226/



[41].Ternez, L.,ph.D. Thesis, Uppsala University, 1988.
[42].Gravesen, P., ”Silicon Sensors”, (Status report for the industrial engineering thesis), DTH Lyngby, Denmark, 1986.
[43].陳俊合，2003，”葡萄糖微型生物感測器之研製”，國立雲林科技大學電子與資訊工程研究所碩士論文。
[44].BenG. STREETMAN, SANJAY BANERJEE，90年2月，”半導體元件”，吳孟奇、洪勝富、連振炘、龔正，東華書局股份有限公司。
[45].H.L.W, J.Y.L and C.Y.S, 1994, “Research an Development of High Efficiency Space Silicon Solar Cells”, 2nd Conference on Space Technology Research, pp337-pp341.
[46].林坤立，2004，”單晶矽太陽電池製程及其頻譜響應之研究”， 國立雲林科技大學電子工程研究所碩士論文。
[47].陳英豪，2003，”單晶矽薄膜太陽電池之結構設計與粗糙化結構研究”，國立雲林科技大學電子與資訊工程研究所碩士論文。
[48].S.S. Kim, D.G. Lim, H.W. Kim, J. Yi, 1997, “The Optimization of Poly-Si Solar Cells”, Proceedings of the 5th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, pp642-645.