臺灣博碩士論文加值系統

近年來，由IBM、日本Solar Frontier與 Tokyo Ohka Kogyo（TOK）聯合研究所開發的高效率CZTS(Cu2ZnSnS4)化合物太陽能電池已備受關注，其最高轉換效率已達12.1%，本論文將以其為目標，利用化學水浴沉積法（Chemical Bath Deposition, CBD）研製無硫化且較佳化太陽能電池。此方法比起IBM等製作高效率CZTS太陽能電池採用的聯胺-溶液法(hydrazine solution-based process)較為無毒，對人體傷害較小，同時能夠大面積模組化生產，且製程簡單又可低溫進行製程；而相較於其他真空製程之下，化學水浴沉積法可大幅降低使用設備的成本，且能夠進行無硫化製程進而去調控其成長厚度與時間等等變因，最後再以傳統化學水浴法製作CdS當作緩衝層完成太陽能電池元件。本論文已成功研製出化學水浴沉積法目前最高轉換效率達1.58%、開路電壓( Voc )達0.22 V、短路電流( Jsc )達17.72 mA/cm2、填充係數( F.F. )為40.89%之CZTS化合物太陽能電池。

In recent years, the high-efficiency Cu2ZnSnS4 (CZTS) solar cell, which was developed by IBM, Solar Frontier and TOK, have attracted great attention.The highest efficiency of the CZTS solar cell is around 12.1%. In this study, the CZTS solar cell was fabricated by Chemical Bath deposition, which is method without sulfurization treatment and non-toxic process and application on solar cell technology.
This paper will take it as a target, using of chemical bath deposition(CBD) then developing no sulfurization treatment and optimized solar cells. We compare this study with the methods of IBM, we can find that the high efficiency of CZTS solar cells can be less toxic and less harm to the human body by using the hydrazine solution-based process. At the same time, we can still produce the large-area of the modular and the processes is able to be produced in lower temperature. When compared to other vacuum processes, the Chemical bath deposition method can significantly reduce the cost of devices, and it can carry out the no sulfurization processes then regulation of the thickness and time. Finally, using the traditional chemical bath deposition method to make the CdS as buffer layer and and then complete the after of solar cell devices.
In this study, the highest conversion efficiency is 1.58 % and the open voltage (VOC) is reached 0.22 V and the short current density (JSC) is reached 17.72 mA/cm2 and fill factor is 40.89 %.

學位審定書 i
中文摘要 ii
ABSTRACT iii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章、 緒論 1
1-1潔淨能源之取決 1
1-2太陽能電池材料與種類 2
1.2.1薄膜太陽能電池種類與透明導電層之薄膜應用 3
1.2.2薄膜太陽能電池產業發展概況 5
1-3太陽能電池材料與種類 7
1.3.1 CIGS薄膜太陽能電池 7
1.3.2 替代材料開發 8
1-4 研究目的 8
1-5 CIGS與CZTS太陽能電池之發展現況與市場分析 10
1.5.1 銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池 10
1.5.2化合物太陽能電池之未來發展及限制 13
第二章、 基礎理論與文獻探討 16
2-1銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4)的研究理論與演化 16
2.1.1 銅鋅錫硫(CZTS)薄膜太陽能電池 16
2.1.2銅鋅錫硫(CZTS)晶體結構的演化 17
2.1.3 銅鋅錫硫晶體結構混淆 19
2-2銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4)之薄膜之成長方法 21
2.2.1 電鍍沉積法 22
2.2.2 化學水浴沉積法原理 23
2-3 CZTS太陽能電池研究發展概況 24
2.3.1 近年重要之專利發表 26
第三章、 實驗方法與設備簡介 27
3-1實驗流程 28
3-2實驗藥品與實驗裝置 29
3.2.1實驗藥品 29
3.2.2實驗基材 30
3.2.3化學水浴法之實驗設備 30
3-3實驗步驟 31
3.3.1基材清洗 31
3.3.2化學水浴法反應溶液之配置方法 32
3.3.3反應溶液調整之參數 34
3.3.4三層水浴法薄膜之改善退火方法 34
3.3.5 緩衝層(Buffer Layer) 35
3.3.6 透明導電層(Transparent Conductive Layer) 35
3.3.7 上電極(Front Contact) 36
3-4 實驗設備簡介與原理 36
3.4.1 x光繞射分析 (x-ray Diffraction) 37
3.4.2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Elextron Microscope) 37
3.4.3 拉曼光譜儀(Raman Spectrometers) 38
第四章、 結果與討論 39
4-1硫化錫(SnS)半導體薄膜研製 39
4.1.1 pH值對於硫化錫薄膜的影響 39
4.1.2 pH值對於硫化錫薄膜的結晶影響 40
4-2硫化銅(CuS)半導體薄膜研製 41
4.2.1 pH值對於硫化銅薄膜的影響 41
4.2.2 pH值對於硫化銅薄膜的結晶影響 42
4.2.3 pH值對於硫化鋅薄膜的影響 43
4-4 CZTS薄膜Raman分析 46
4-5 CZTS半導體薄膜製備與厚度SEM分析 47
4-6硫化鎘(CdS)半導體薄膜研製 51
4-7 後段製程之透明導電層之光學分析 53
4-8 CZTS薄膜之EDS分析 54
4-9 CZTS太陽能電池I-V電性探討 55
第五章、 結論與未來展望 59
5-1結論 59
5-2未來展望 59
參考文獻 61

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