臺灣博碩士論文加值系統

本研究成功以射頻磁控濺鍍法製備出矽基異質結構p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池。此結構之電池的初步效率為3.39%，經改善後可提升至6.31%。本研究將透過三個部分來改善電池效率並探討其機制，第一部分為射頻功率變化對於p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池之影響，其中將透過UV-Vis、四點量測、C-V、照光及非照光I-V來分析探討。其結果顯示，由射頻功率100W所製作電池效率最高，為4.30% (Voc：0.390 V、Jsc：18.06 mA/cm2、FF：0.611、Rs：4.41 Ω、Rsh：671.76 Ω)。然而，4.30% 的效率仍然過低，因此後續第二與第三部分將針對Jsc與FF進行探討與改善。第二部分透過鹽酸蝕刻的方式於高導電性AZOY薄膜表面形成織構化結構來提升光捕捉效應。其結果顯示，在蝕刻20秒後，短路電流密度提升了8.47 %的幅度 (提升從18.06 mA/cm2至 19.59 mA/cm2)，使其效率提升至4.56%。第三部分為透過在矽與鋁之間插入一層超薄氟化鋰，來改善矽與鋁的歐姆接觸。我們發現在氟化鋰15Å厚度時，可獲得最佳的特徵接觸電阻4.75x10-3 Ωcm2，其最佳氟化鋰厚度應用於p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池時，可獲得最佳轉換
II
效率6.31% (Voc：0.441 V、Jsc：21.33 mA/cm2、FF：0.670、Rs：3.59 Ω、Rsh：1691.07Ω)。此氟化鋰的插入來提升電池的轉換效率可歸因於偶極輔助穿隧(dipole-assisted tunneling)效應與背表面鈍化所導致。
關鍵字：射頻磁控濺鍍法，氧化鎳，異質接面太陽能電池，氟化鋰。

This study successfully fabricates p-Ni1-xO/n-Si heterojunction solar cell using the RF magnetron sputtering. The experiment is divided into three parts to investigate and the conversion efficiency of cell upgraded from 3.39% to 6.31%. First part is to investigate the influence of the RF sputtering power on the performance of p-Ni1-xO/n-Si solar cells, through the four point probe, UV-Vis, capacitance-voltage (C-V), light and dark current-voltage (I-V) measurements. The results show that the cell fabricated at sputtering power of 100 W has the highest conversion efficiency of 4.30% (Voc：0.390 V、Jsc：18.06 mA/cm2、FF：0.611、Rs：4.41 Ω、Rsh：671.76Ω). However, the conversion efficiency of 4.3% is still enough. Therefore, the second and third parts focus on the improvement of Jsc and FF. In the second part, we confirm that the surface texturation of window layer (Al-Y codoped ZnO) etched by diluted HCl effectively increases conversion efficiency of p-Ni1-xO:Li/n-Si heterojunction solar cells. The results show that the short circuit current density (Jsc) of cell etched at 10 s
IV increases ~8.5% compared with unetchd cell, resulting in the increase of conversion efficiency to 4.63%. The third part is to improve the back surface Ohmic contact by inserting an ultra-thin LiF (n-Si/LiF/Al). We found the optimum specific contact resistance (ρc) was 4.75x10-3 Ωcm2 when the thickness of 15 Å of LiF inserted. Also, the insertion of LiF (15 Å) in p-Ni1-xO/n-Si solar cell could get the optimum conversion efficiency of 6.31% (Voc：0.441 V、Jsc：21.33 mA/cm2、FF：0.670、Rs：3.587 Ω、Rsh：1691.070 Ω). The improvement of conversion efficiency was due to the dipole-assisted tunneling effect and back surface passivation.
Keywords : RF magnetron sputtering, NiO, heterojunction solar cell, LiF

目錄
中文摘要...................................................I
Abstract......................................................III
誌謝...........................................................V
目錄...........................................................VII
表目錄.......................................................XII
圖目錄.......................................................XIII
第一章 前言 ............................................. 1
1-1研究動機 ............................................................. 1
1-2研究目的.............................................................. 4
1-3論文架構 ........................................................... 6
第二章 基礎理論 ..................................... 7
2-1氧化鎳透明導電薄膜簡介 ................................ .7
2-2半導體光電效應 ............................................... ...8
2-3太陽光譜能量分佈 ............................................. 10
2-4太陽電池基本原理 ............................................. 11
2-4.1光伏效應 .................................................... 11
VIII
2-4.2太陽能電池發電原理 ................................ 12
2-4.3太陽能電池等效電路圖 ............................ 14
2-4.4元件效率損失 ............................................ 16
2-5異質接面太陽能電池原理 ................................ 19
2-6電漿原理 ............................................................. 21
2-6.1濺鍍原理 .................................................... 23
2-6.2磁控濺鍍 .................................................... 24
2-6.3射頻濺鍍 .................................................... 25
2-6.4偏壓濺鍍 .................................................... 25
2-7薄膜沉積 ............................................................. 26
2-8金屬-半導體接觸原理 ....................................... 27
2-8.1歐姆接觸理論 ............................................ 32
2-8.2特徵接觸電阻 ............................................ 33
2-8.3環行傳輸線模型理論 ................................ 36
2-9氟化鋰 ................................................................. 39
第三章 實驗步驟 ..................................... 40
3-1變化射頻功率p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池製作 ... 41
3-1.1玻璃、矽基板清洗步驟 ............................ 41
3-1.2薄膜沉積步驟 ............................................ 42
3-1.3金屬蒸鍍 .................................................... 42
3-2鹽酸溶液蝕刻對AZOY/p-Ni1-XO/n-Si太陽能電池特性影響 .....................45
3-2.1酸溶液蝕刻AZOY薄膜過程 ................... 45
3-2.2 AZOY/p-Ni1-XO/n-Si太陽能電池製作 ..... 45
3-3增強載子收集p-Ni1-xO/n-Si/LiF/Al異質結構太陽能電池製作 ..................................................... 47
3-3.1黃光製程步驟 ............................................ 47
3-3.2金屬蒸鍍 ...................................................... 48
3-4量測儀器 ............................................................... 50
3-4.1霍爾效應量測 ............................................ 50
3-4.2橢圓偏光儀 ................................................ 50
3-4.3 UV/VIS 光譜儀 ......................................... 51
3-4.4 X光光電子能譜儀 ........................................ 52
3-4.5原子力顯微鏡 ............................................ 52
3-4.6穿透式電子顯微鏡 .................................... 53
3-4.7太陽光源模擬器電流 ................................ 54
第四章 結果與討論 ................................. 55
4-1射頻功率變化對於p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池效率之影響 ............................................................. 56
4-1.1射頻功率變化對於p-Ni1-xO薄膜影響分析
............................................................. 57
4-1.2射頻功率變化對於p-Ni1-xO/n-Si太陽電池影響分析 ............................................................. 59
4-2鹽酸溶液蝕刻對AZOY/p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池特性的影響 ............................................................ 64
4-2.1結構特性分析 ............................................ 65
4-2.2電性分析 .................................................... 67
4-2.3光學分析 .................................................... 69
4-2.4太陽電池應用 ............................................ 73
4-3氟化鋰厚度變化對於p-Ni1-xO/n-Si/Al太陽能電池效率之影響 .............................................................................. 73
4-3.1氟化鋰厚度對於接觸電阻的影響 ............ 74
4-3.2介面分析 .................................................... 76
4-3.3氟化鋰對於p-Ni1-xO/n-Si/Al太陽能電池效率影響 .................................................... 78
第五章 結論 ............................................. 82
參考文獻 ....84

參考文獻
【1】Christian Schmiga, Henning Nagel, Jan Schmidt, Prog. Photovolt: Res. Appl. 14 (2006) 533.
【2】J.B. DuBow, D.E. Burk, Appl. Phys. Lett. 29 (1976) 494.
【3】H. Kobayashi, T. Ishida, Y. Nakato, H. Tsubomura, J. Appl. Phys. 69 (1991) 1736.
【4】H. Kobayashi, T. Ishida, K. Nakamura, Y. Nakato, H. Tsubomura, J. Appl. Phys. 72 (1992) 5288.
【5】T. Ishida, H. Kobayashi, Y. Nakato, J. Appl. Phys. 73 (1993) 4344.
【6】H. Kobayashi, T. Ishida, Y. Nakato, H. Mori, J. Appl. Phys. 78 (1995) 3931.
【7】H. Kobayashi, A. Asano, S. Asada, T. Kubota, Y. Yamashita, K. Yoneda, Y. Todokoro, J. Appl. Phys. 83 (1998) 2098.
【8】H. Kawazoe, H. Yanagi, K. Ueda, H. Hosono, MRS Bulletin 25 (2000) 28.
【9】楊明輝，”透明導電膜材料與成膜技術的新發展”，工業材料雜誌，189期，2002年。
【10】H. Iimori, S. Yamane, T. Kitamura, K. Murakoshi, A. Imanishi,Y. Nakato, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 11586.
【11】 C. Schmiga, H. Nagel, J. Schmidt, Prog. Photovoltaics: Res. Appl. 14 (2006) 533.
８５
【12】P.R. Pudasaini, D. Elam, A.A. Ayon, J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 235104.
【13】V. Vahanissi, M. Yli-Koski, A. Haarahiltunen, H. Talvitie, Y. Bao, H. Savin, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 114 (2013) 54.
【14】M.A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E.D. Dunlop. Prog. Photovoltaics: Res. Appl. 41 (2013) 1.
【15】 G. Vanko, T. Lalinsky, Z. Mozolova, J. Liday, P. Vogrincic, A. Vincze, F. Uherek, S. Hascika, I. Kostic. Vacuum 80 (2008) 193.
【16】 A. Datta, M.H. Song, J. Wang, M. Labrune, S. Chakroborty, P. Roca i Cabarrocas, P. Chatterjee, J. Non-Cryst. Solids 358 (2012) 2241.
【17】 C. Xiao, D. Yang, X. Yu, R. Wang, D. Que, J. Alloy. Compd. 561 (2013) 28.
【18】H. Sato, T. Minami, S. Takata, T. Yamada, “Transparent conducting p-type NiO thin films prepared by magnetron sputtering”, Thin Solid Films 236 (1993) 27.
【19】D. Adler, J. Feinleib, Phys. Rev. B 2 (1970) 3112.
【20】Zhou Y, Gu D, Geng Y and Gan F 2006 Mater. Sci. Eng. B 561 (2007) 15.
【21】T. Dutta, P. Gupta, A. Gupta, J. Narayan, J. Appl. Phys. 108 (2010) 083715.
【22】W.L. Jang, Y.M. Lu, W.S. Hwang, W.C. Chen, J. Eur. Ceram. Soc. 30 (2010) 503.
８６
【23】施敏， “半導體元件物理與製作技術 第二版”，國立交通大學出版社，2006。
【24】H.J. Moller, Semiconductor for Solar Cells, Artech House, Boston,1993.
【25】林螢光，“光電子學-原理、元件與應用”，全華出版社2008。
【26】M. A. Green, “Solar Cells: Operating Principles, Technology and Systems Applications,” Prentice Hall, NJ, USA, 1982.
【27】黃惠良、曾百亨，“太陽能電池”，五南圖書出版，2008年。
【28】王藜樺，串接式太陽能電池模擬研究，國立清華大學光電工程研究所碩士論文，2008年。
【29】J. Szlufcik, IEEE. 85, No. 5, 1997, 711–715
【30】J. Szlufcik, IEEE. 85, No. 5, 1997, 711–730.
【31】Pallab et al., Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronic Devices, 2nd edition, prentice Hall, 1997.
【32】Larry D.Partain et al., “Solar cell and Their Applications” , Wiley, 1995.
【33】陳頤承、郭昭顯、陳俊亨，“太陽能電池量測技術”，《工業材料雜誌》，258 期，2008年，249。
【34】廖士霆，“矽晶太陽能電池製作與特性分析”，國立清華大學材料科學與工程學系碩士論文，2009年。
８７
【35】翁敏航，”太陽能電池-原理、元件、材料、製程與檢測技術”臺灣東華書局股份有限公司出版，2009年
【36】原著 S.O. Kasap 編譯 黃俊達、陳金嘉、楊奇達、雷伯勳，”光電子學與光子學-原理與應用”，台灣培生教育出版股份有
【37】吳財福、張健軒、陳裕凱，”太陽能供電與照明系統綜論”，全華科計圖書股份有限公司，200年
【38】Brain Campman,“Plasma”, Glow Discharge Process, (John Wiley & Sons, NewYork, U. S. A, 1980) , Chap.3.
【39】原著 Hong Xiao 譯者 羅正忠、張鼎張，”半導體製程技術 導論”台灣培育教育股份有限公司，2007年
【40】E. H. Rhodetick and R. H. Willian, Metal-Semiconductor Contact, 2nd ed (Oxford Science Publiscations, 1988).
【41】Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices, 3rd ed (McGraw-Hill, New York, 2003).
【42】F.Braun, “On the Conduction Through Sulfurmetals”, (inGerman),Annal. Phys. Chem. 153 (1874) 556
【43】B.H. Chu, K.H. Baik, S.J. Pearton, F. Ren, and S. Jang, Jpn. J. Appl. Phys. 51 (2012) 09.
【44】M.G. Helander, Z.B. Wang, L. Mordoukhovski, and Z.H. Lu, J. Appl. Phys. 104 (2008) 094510.
【45】H. Kageyama, H. Kajii, Y. Ohmori, Y. Shirota, Appl. Phys.
８８
Express 4 (2011) 032301.
【46】 Y.G. Lin, Y.C. JIAN, J.H. Jiang, Appl. Surf. Sci. 254 (2008) 2671.
【47】D. G. Baik, S. M. Cho. Thin Solid Films. 354 (1999) 227.
【48】M. Siad, A. Keffous, S. Mamma, Y. Belkacem, H. Menari. Appl. Surf. Sci. 236 (2004) 366.
【49】W. H. Choi, H. L. Tam, F. Zhu, D. Ma, H. Sasabe, J. Kido. Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 153308.
【50】 K. G. Lim, M. R. Choi, H. B. Kim, J. H. Park , T. W. Lee. J. Mater. Chem . 27 (2012) 25148.
【51】S. E. Shaheen, G. E. Jabbour, M. M. Morrell, Y. Kawabe, B. Kippelen, N. Peyghambarian. J. Appl. Phys. 84 (1998) 2323.
【52】L. Fang, S.J. Baik, S. Lim, S. Lim, S. Yoo, and K.S. Lim, IEEE Trans. Electron Devices 58 (2011) 3048.
【53】H.H. Jung, J.D. Kwon, S. Lee, C.S. Kim, K.S. Nam, Y. Jeong, K.B. Chung, S.Y. Ryu, T. Ocak, A. Eray, D.H. Kim, and S.G. Park, Appl. Phys. Lett. 103 (2013) 073903.
【54】S. Kim, J. Lee, V.A. Dao, S. Lee, N. Balaji, S. Ahn, S.Q. Hussain, S. Han, J. Jung, J. Jang, Y. Lee, and J. Yi, Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct. Solid-State Mater. 178 (2013) 660.
【55】H.C. Barshilia, N. Selvakumar, G. Vignesh, K.S. Rajam, A. Biswas, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93 (2009) 315.
【56】R. Suri, C.J. Kirkpatrick, D.J. Lichtenwalner, V. Misra, Appl. Phys. Lett. 93 (2010) 042903.
【57】H.Y. Yu, M.F. Li, B.J. Cho, C.C. Yeo, M.S. Joo, Appl. Phys. Lett.
８９
81 (2002) 2.
【58】G. Greczynski, M. Fahlman, W.R. Salaneck, J. Chem. Phys. 113 (2000) 2407.
【59】G. Agostinelli, A. Delabie, P. Vitanov, Z. Alexieva, H.F.W. Dekkers, S.D. Wolf, G. Beaucarne, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 90 (2006) 3438.
【60】N.M. Terlinden, G. Dingemans, M.C.M van de Sanden, W.M.M. Kessels, Appl. Phys. Lett. 96 (2002) 112101.
【61】S.K.M. Jönsson, E. Carlegrim, F. Zhang, W.R. Salaneck, M. Fahlman, Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 3695.
【62】T. Nedetzka, M. Reichle, A. Mayer, H. Vogel, J. Phys. Chem. 74 (1970) 2652.