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。本研究主要分為兩個部分作為探討，其第一部份以玻璃、矽基板並針對影響薄膜品質的溫度變化、環境壓力，做為成長NiO：Li薄膜探討，其製程溫度、壓力變化由量測結果可得知在6 mTorr、300℃有一最佳結晶性，且Hall量測載子濃度約1.28×1018 cm-3、其高功函數約5.32 eV、折射率約2.54，並且將窗口層設計成抗反射層兩用。第二部分為p-Ni1-xO/n-Si太陽能電池轉換效率分析，其電池初步效率1.34%(Voc：0.370 V、Jsc：12.354 mA/cm2、FF：0.294、Rs：22.05 Ω、Rsh：360 Ω)，效率過低得主因歸咎於NiO薄膜電阻係數為2.72Ω-cm，以及矽表面有過厚的SiOx。為了解決以上兩個問題，本論文將高導電性n-AZO薄膜沉積在p-type薄膜上，作為前電極接觸層，因此效率提升至2.33% (Voc：0.354 V、Jsc：22.084 mA/cm2、FF：0.307、ɳ：2.33%、Rs：10.81 Ω、Rsh ：320 Ω)。最後優化製程參數，由原本基板溫度300℃降至RT，將SiOx的影響減至最小，因此得到最高效率4.89%( Voc：0.363 V、Jsc：26.452 mA/cm2、FF：0.508)。由Dark I-V可得知元件漏電流約4 x 10-7 A/cm2，藉由漏電流分析出二極體理想因子其值為A=2.33，意味著此二極體元件仍有很大改善空間，而且本論文認為在矽表面界面態加以護佈的話即可擁有很大的開路電壓(Voc)。而在TCO/n-Si異質結構太陽能電池裡，p-NiO/n-Si可更勝於n-TCO/n-si結構。
關鍵字：異質結構，氧化鎳摻鋰，太陽能電池，射頻磁控濺鍍法

This study reports the fabrication of p-type Ni1-xO:Li/n-Si heterojunction solar cells (HJSCs) by depositing Li-doped Ni1-xO (p-Ni1-xO:Li) on a n-Si substrate (P+/n) using RF magnetron sputtering. The main investigation in this study will divide two parts. Firstly, films deposited on glass and silicon substrates at various working pressures (partial pressure of argon) and temperatures were first analyzed to estimate the optoelectrical properties of p-Ni1-xO: Li thin films. According to the results of experiments, the Ni1-xO:Li thin films deposited at 6 mTorr and 300℃ showed the best crystallization, the high carrier concentration of 1.28×1018 cm-3, high work function 5.32 eV and refractive index of 2.54. The p-Ni1-xO:Li thin film not only acts an emitter layer, but also acts an antireflective coating thin film. The second parts investigate the influence of conversion efficiency of Ni1-xO:Li/n-Si heterojunction solar cell. The initial efficiency is 1.34% (Voc:0.370 V, Jsc:12.354 mA/cm2, FF:0.294, Rs:22.05 Ω and Rsh:360 Ω). The low efficiency can be attributed to the high resistivity of Ni1-xO:Li thin film (2.7 Ω-cm) and thicker SiOx layer (27.78 Å) at interface. In order to solve the problem, a high conductivity n-AZO thin films has been deposited on the p-Ni1-xO:Li thin film as a front electrode contact layer. Thus, the efficiency of cell elevates to 2.33% (Voc:0.354 V, Jsc:22.084 mA/cm2, FF:0.307, ɳ:2.33%, Rs:10.81 Ω, Rsh:320 Ω). Finally, process parameters will be optimized by varying substrate temperature from 300℃ to RT, results to SiOx thickness reduces. Thus, it is shown the best efficiency of 4.89 % (Voc:0.363 V, Jsc:26.452 mA/cm2, FF:0.508) in this study. The dark IV characteristics exhibit the diode ideal factor and leakage current density is approximately 2.33 and 4x10-7 A/cm2, respectively. This study proposes that reduce interface states and improve the optoelectrical properties of p-NiO are two important issues because they can directly and significantly affect the conversion efficiency of p-Ni1-xO:Li/n-Si HJSC.
Keywords: heterojunction, nickel oxide, solar cells, sputtering

目錄
第一章 前言 1
1-1研究動機 1
1-2研究目的 3
1-3論文架構 4
第二章 基礎理論 5
2-1氧化鎳透明導電薄膜簡介 5
2-2半導體光電效應 6
2-3太陽光譜能量分佈 8
2-4太陽電池基本原理 9
2-4.1光伏效應 9
2-4.2太陽能電池發電原理 10
2-4.3太陽能電池等效電路圖 12
2-4.4元件效率損失 15
2-5異質接面太陽能電池原理 17
2-6電漿原理 20
2-6.1濺鍍原理 21
2-6.2磁控濺鍍 22
2-6.3射頻濺鍍 23
2-6.4偏壓濺鍍 24
第三章 實驗步驟 26
3-1實驗步驟 26
3-1.1玻璃、矽基板清洗步驟 26
3-1.2薄膜沉積 27
3-2量測分析 28
3-2.1原子力顯微鏡(AFM) 28
3-2.2低掠角X光繞射儀（GIXRD） 29
3-2.3霍爾量測分析 30
3-2.4橢圓偏光儀分析 31
3-2.5 UV/VIS 光譜儀(UV-VIS)分析 31
3-2.6太陽光源模擬器 (Solar simulator) 32
3-2.7 X光光電子能譜儀 33

第四章 結果與討論 34
4-1 NiO：Li薄膜光電特性探討 35
4-1.1 壓力變化 35
4-1.2 溫度變化影響 41
4-2 p-NiO：Li/n-Si異質結構太陽能電池特性 46
4-3 p-NiO：Li/n-Si太陽電池效率探討與改善 52
第五章 結論 59
參考文獻 62

表目錄
表4-1 壓力變化參數 35
表4-2 XPS成份估算 37
表4-3 不同壓力之光電特性 38
表4-4 溫度變化參數表 41
表4-5 溫度與環境氣體之電阻係數 43
表4-6 p-NiO：Li/n-Si異質結構太陽能電池製程參數 46
圖目錄
圖2-1(a) 氧化鎳晶體結構；(b) 氧化鎳導電機制 6
圖2-2 光子與電子交互作用示意圖 7
圖2-3大氣質量的計算方法與大氣圈外(AM0)與地表上(AM1.5)
8
圖2-4半導體對光的吸收情形， (a) hν=Eg，(b) hν>Eg，(c) hν<Eg
10
圖2-5傳統太陽能電池PN接面 11
圖2-6數種半導體材料之光吸收係數 12
圖2-7電子-電洞對受空乏區內建電場分離 12
圖2-8太陽能電池等效電路圖 13
圖2-9太陽能電池元件的電性量測結果 15
圖2-10材料能隙與短路電流關係 16
圖2-11不同溫度下太陽能電池之特性 17
圖2-12 N型鍺與P型砷化鎵接合前能帶圖 18
圖2-13 N型鍺與P型砷化鎵接合後能帶圖 19
圖2-14 NiO與n型矽接合後能帶圖 19
圖2-15帶正電荷的氣體撞擊靶材 22
圖3-1 原子力顯微鏡的結構示意圖 28
圖3-2 氧化鎳(NiO)的JCPDS Data(#47-1049) 30
圖3-3 橢圓儀量測示意圖 31
圖3-4 太陽能模擬器機台架構 32
圖4-1 XPS定性分析 (a)3 mTorr (b)15 mTorr 36
圖4-2 UV-Vis能隙估算 38
圖4-3 原子力顯微鏡表面形貌圖(a)3 mTorr (b)6 mTorr (c)15 mTorr
39
圖4-4 不同壓力GIXRD繞射圖 39
圖4-5 NiO溫度變化SEM圖(a)RT、(b)150℃、(c) 200℃
(d)250℃、(e)300℃ 43
圖4-6不同基板溫度可見光穿透率 44
圖4-7 不同基板溫度GIXRD繞射圖 44
圖4-8 NiO晶格排列示意圖 45
圖4-9 不同基板溫度結晶情況 45
圖4-10 p-NiO：Li/n-Si二極體結構圖與Dark I-V 47
圖4-11 p-NiO：Li/n-Si飽和電流密度 49
圖4-12 p-NiO：Li窗口層兼作抗反射層 50
圖4-13 p-NiO：Li/n-Si照光效率 51
圖4-14 AZO/NiO 歐姆接觸圖 53
圖4-15 AZO/p-NiO：Li/n-Si照光效率 54
圖4-16 電荷移動情況 54
圖4-17 矽表面SiOx層 56
圖4-18 AZO/p-NiO：Li/n-Si優化後照光效率 58

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