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研究生:曾雯譽
研究生(外文):Wen-Yu Tseng
論文名稱:磁控濺鍍FZO/Si異質接面太陽能電池 之特性研究
論文名稱(外文):Characteristics of FZO/Si Heterojunction Solar Cells by RF Magnetron Sputtering
指導教授:蔡有仁王納富
指導教授(外文):Yu-Zen TsaiNa-Fu Wang
口試委員:洪茂峰湯譯增吳三連蔡有仁王納富
口試委員(外文):Mau-Phon HoungI-Tseng TangSan-Lein WuYu-Zen TsaiNa-Fu Wang
口試日期:2013-07-08
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:射頻磁控濺鍍法氧化鋅摻氟太陽能電池
外文關鍵詞:sputteringFluorine-doped ZnOsolar cell
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本論文利用射頻磁控濺鍍法沉積氧化鋅摻氟(ZnO:F,FZO)於玻璃與p型矽基板上,首先研究不同基板溫度(室溫到300oC)對FZO薄膜的光電特性影響。其結果顯示基板溫度為150 oC時薄膜有著最大晶粒(17.3 nm)、最低的電阻率(6x10-2 Ω-cm)和在可見光區(400-800 nm)的透光率約為90%以上。由於不同基板溫度製作成太陽能電池均呈現較差的效率,推測其原因為FZO薄膜的電阻率都較高(9x10-1 Ω-cm到6 x10-2 Ω-cm)的關係,因此第二部份我們以最佳基板溫度沉積之FZO薄膜(初鍍膜)進行快速熱退火(RTA)處理(300oC至500oC),探討退火溫度對矽基異質太陽能電池轉換效率的影響。由結果可得知,FZO薄膜於熱處理溫度在500℃時有著最低之電阻率(3.76x10-3 Ω-cm)、最高的移動率(35.2cm²/V-s)和最低載子濃度(4.71x1019cm-3),對應於太陽能電池上顯示出最高的轉換效率6.45% ( Voc:0.48 V、Jsc:31.03 mA/cm2、FF:0.43),此轉換效率的改善主要可歸因於FZO薄膜電阻率的下降使得太陽能電池串聯電阻(RS)下降,進而提高效率。最後,我們亦將FZO薄膜作為抗反射層用,並設計其厚度變化分別為70 nm、150 nm、200 nm,探討薄膜厚度對矽基太陽能電池轉換效率的影響。其結果顯示,FZO薄膜厚度為150 nm時有著最高的效率。而當薄膜厚度過薄(70 nm)時,儘管其有著最高JSC=37.05 mA/cm2,但較小的晶粒(受限於較薄厚度)使得VOC(0.44V)和FF(0.37)都下降,轉換效率因而降為6.02%。而薄膜厚度過厚(200 nm)則會造成RS過大亦造成FF下降,其轉換效率為3.51%。
In this study, fluorine doped zinc oxide (FZO) films have been prepared by RF reactive magnetron sputtering on glass and p-Si substrates. The effects of substrate temperature (from RT to 300°C) on optical and electrical properties of FZO thin films were first studied. The results show that FZO thin film deposited at substrate temperatures of 150°C has largest grain size of 17.3 nm, the lowest resistivity of 6x10-2 Ω-cm, and visible range(400-800 nm) transmittance about 90%. However the cell fabricated at various substrate temperatures shows very poor conversion efficiency due to the high resistivity of FZO thin films in the range of 9x10-1-6 x10-2 Ω-cm. In the second part, the optimal FZO thin films (as-deposited) will be annealed by rapid thermal annealing (RTA) process (from 300oC to 500oC) to improve the conductivity of films, and its influence on conversion efficiency of FZO/p-Si heterojunction solar cell were also investigated. According to the experimental results, the FZO thin film annealed at 500°C shows the lowest resistivity of 3.76x10-3 Ω-cm, the highest mobility of 35.2cm²/V-s and the lowest carrier concentration 4.71x1019cm-3, corresponding to highest conversion efficiency of 6.45% ( Voc:0.48 V、Jsc:31.03 mA/cm2、FF:0.43). The improvement of conversion efficiency can be mainly attributed to the decrease of resistivity of FZO thin film causes decrease of series resistance (RS) of solar cell, thus improving the efficiency. Finally, the thickness of FZO film will be designed as 70 nm, 150 nm, and 200 nm to act an anti-reflective coating layer. From the results, FZO thin film with thickness of 150 nm has highest efficiency. When the film is too thin (70nm), the smaller grain size of film (limited by the thinner thickness) causes decrease of VOC (0.44V), FF (0.37) and conversion efficiency (6.02%) despite the cell shows the highest JSC (37.05 mA/cm2). If the film too thick (200nm), it will cause increase of RS and also decrease of FF, the conversion efficiency of 3.51%.
目錄
中文摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 X
圖目錄 XI
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 5
第二章 基礎理論 7
2-1氧化鋅之簡介 7
2-2電漿理論 8
2-3濺鍍原理 9
2-3.1二極濺鍍 9
2-3.2偏壓濺鍍 10
2-3.3磁控濺鍍 11
2-3.4射頻濺鍍 11
2-4薄膜沉積原理 12
2-5太陽能電池基本理論 13
2-5.1光伏效應 13
2-5.2太陽光譜介紹 13
2-5.3太陽能電池等效電路圖 14
2-5.4元件效率損失因子 16
第三章 實驗方法 18
3-1實驗步驟 18
3-1.1基板清洗步驟 18
3-1.2薄膜沉積步驟 19
3-2薄膜量測分析 20
3-2.1膜厚分析儀(α-step) 20
3-2.2低掠角X光繞射儀(GIXRD 20
3-2.3霍爾效應量測(Hall effect measurement) 21
3-2.4場發射型掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)分析 22
3-2.5紫外光-可見光光譜儀(UV-VIS)分析 22
3-3太陽能電池製作與特性量測 23
3-3.1太陽能電池製作 23
3-3.2太陽光源模擬器電流-電壓(I-V)量測 24
第四章 結果與討論 25
4-1基板溫度對FZO薄膜與太陽能電池之影響 25
4-1.1 基板溫度對FZO薄膜特性的影響 25
4-1.2 基板溫度對FZO/p-Si太陽能電池特性的影響 28
4-2RTA退火溫度對FZO薄膜與太陽能電池之影響 29
4-2.1 退火溫度對FZO薄膜特性的影響 29
4-2.2 退火溫度對FZO/p-Si太陽能電池特性的影響 29
4-3FZO薄膜厚度對太陽能電池之影響 30
4-4 FZO/p-Si、ZnO/p-Si與AZO/p-Si三種異質接面太陽能電池之特性比較 31
第五章 結論 33
參考文獻 35


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