臺灣博碩士論文加值系統

本論文研究主要為將尺寸為3~5 nm之奈米晶矽嵌入P型非晶矽材料中，藉由奈米晶矽特有之量子侷限效應（Quantum confinement effect），將p型非晶矽材料能隙從1.75 eV提高到1.9 eV以上，以形成異質接面（Hetero-junction）薄膜太陽能電池結構。該電池結構開路電壓(VOC)可由目前非晶矽薄膜之0.8 V往上提升，使得電池效率提高到大於9%以上。未來亦可結合微晶矽製程技術，開發奈米晶矽/微晶矽堆疊式薄膜太陽能電池結構，將電池效率提升至11%。此外利用基板上TCO微結構來增加光捕捉(light trapping)效率，可進一步再提昇奈米晶矽/微晶矽堆疊式薄膜太陽能電池光電轉換效率。
另外，由於奈米晶矽或微晶矽薄膜沉積時需要大量氫原子參與反應，而超高頻率(VHF)之電漿輔助化學氣相沉積系統或電子迴旋共振系統(ECR-CVD，頻率為2.45 GHz)氣體解離率佳，非常適合用來沉積微晶矽或奈米晶矽薄膜，故本研究另一項重點為進行ECR-CVD矽鍍膜驗證，嘗試將PECVD製程技術轉移至ECR-CVD上，並由薄膜量測結果提出分析與建議。

In this study, the silicon nano-crystals were embedded into amorphous silicon thin films, leading to an increase in optical band gap due to the quantum confinement effect. A nc-Si:H film with the band gap of 1.95 eV was obtained by VHF (27.12 MHz) PECVD system and was used as a window layer for p-i-n a-Si:H thin film solar cells. The hetero-junction, p-layer nc-Si:H/i-layer a-Si:H, solar cell demonstrated an open-circuit voltage (Voc) of 0.88 V and a conversion efficiency of greater than 9%. This kind of cell structure has great potential for the development of the a-Si/uc-Si tandem cell and the conversion efficiency is expected to be 11%.
In addition, ECR-CVD (microwave frequency: 2.45 GHz) technique is powerful for the deposition of silicon films with high deposition rate. In this study, we attempted to use the system to deposit silicon films. The PECVD process experiences were helpful to give reasonable deposition parameters for ECR-CVD. Finally, we give some suggestions base on the measurement results of the film deposited by ECR-CVD.

書名頁 i
審定書 ii
授權書 iii
中文摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
總目錄 vii
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.1.1 能源危機與太陽能電池 1
1.1.2 薄膜太陽能電池 1
1.2 研究動機 3
1.3 文獻回顧 6
1.4 論文架構與研究內容 13
第二章 理論基礎 15
2.1 太陽能電池工作原理 15
2.1.1 等效電路 15
2.1.2 太陽能電池I-V特性曲線 16
2.1.3 量子效率(Quantum Efficiency) 19
2.2 非晶矽薄膜太陽能電池基礎 20
2.2.1 電池結構 21
2.2.2 透明導電膜(TCO) 21
2.2.3 非晶矽薄膜 22
2.2.4 微晶矽或奈米晶矽薄膜 22
2.3 電漿鍍膜機制 23
2.4 電子迴旋共振(ECR)理論 24
2.5 量子侷限效應(Quantum confinement effect) 25
第三章 實驗機台與量測技術 27
3.1 實驗製程設備 28
3.1.1 超高頻電漿輔助化學氣相沉積(VHF-PECVD) 28
3.1.2 連續式多腔體濺鍍系統(In-line Sputter) 30
3.1.3 電子迴旋共振系統(ECR-CVD) 33
3.1.4 其他製程設備 35
3.2 光學特性量測 36
3.2.1 穿透率、反射率、霧度(Haze) 36
3.2.2 吸收係數計算 38
3.2.3 材料能隙值(Eg)計算 38
3.3 薄膜結構分析 39
3.3.1 膜厚量測 39
3.3.2 結晶度(Xc) 40
3.3.3 表面形貌量測 42
3.4 元件I-V特性量測 43
3.5 外部量子效率量測儀(External Quantum Efficiency) 44
第四章 單層非晶矽薄膜太陽能電池製程 45
4.1 實驗設計與進行步驟 45
4.1.1 電池結構(baseline)：Asahi TCO glass/p-b-i-n/Ag 45
4.1.2 結構改善1：Asahi TCO glass/ p-b-i-n/AZO/Ag 53
4.1.3 結構改善2：Asahi TCO glass/AZO/ p-b-i-n/AZO/Ag 55
4.1.4 接面處理1：氫電漿處理Asahi基板 56
4.1.5 接面處理2：退火(Annealing)處理 56
4.2 結果與討論 57
4.2.1 添加背面AZO層對非晶矽電池的影響 57
4.2.2 添加前面AZO層與氫電漿處理對非晶矽電池的影響 60
4.2.3 施加退火處理對非晶矽電池的影響 61
4.3 結論 62
第五章 以ECR高速沉積非晶矽薄膜 63
5.1 實驗設計 63
5.1.1 製程參數設計 64
5.2 結果與討論 65
5.2.1 鍍膜速率比較 65
5.2.2 穿透率量測結果分析 66
5.2.3 吸收率、能隙量測結果分析 67
5.2.4 拉曼(Raman)量測結果分析 69
5.3 結論 70
第六章 奈米晶矽薄膜製備 71
6.1 製程參數設計 71
6.2 薄膜沉積結果與討論 73
6.3 嵌入式奈米晶矽電池製作 75
6.4 結論 77
第七章 總結與未來展望 78
參考文獻 80

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