臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要是研究熱燈絲輔助硒化處理對於硒化銅銦鎵薄膜之特性影響，藉由熱燈絲輔助硒化處理系統，提升硒蒸氣與銅銦鎵金屬前驅層的反應效率，製備高品質之硒化銅銦鎵薄膜。
硒化銅銦鎵薄膜之製備，首先利用射頻磁控濺鍍系統在玻璃基材上沉積一層銅銦鎵金屬前驅層，之後透過熱燈絲輔助硒化處理系統，分別探討熱燈絲溫度、退火時間、退火溫度與硒蒸氣溫度等硒化參數，然後利用XRD分析觀察硒化銅銦鎵薄膜的結構與結晶優選方向、SEM分析觀察薄膜表面形貌、EDS分析觀察硒蒸氣與銅銦鎵金屬前驅層的反應情況及Hall effect量測觀察硒化銅銦鎵薄膜的電性變化。
最後由實驗結果顯示，在熱燈絲溫度為350 °C、退火時間為30分鐘、退火溫度為550 °C與硒蒸氣溫度為210 °C時，可獲得較佳的硒化銅銦鎵薄膜特性，並且驗證使用熱燈絲輔助硒化的確是一個可行的方法。

The aim of this experiment is to investigation of selenization treatment on CIGS thin films by hot-filament enhanced. Preparation of high quality CIGS thin-film to upgrade reaction efficient of CIG precursor layer and Se vapor by hot filament enhanced selenization system.
Preparation of CIGS thin films, the first deposition CIG precursor on glass substrate by RF magnetron sputtering system, after to use hot filament enhanced selenization system, investigation selenization parameter of hot filament temperature, annealing time, annealing temperature and Se vapor temperature respectively. By means of X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscope (FESEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and hall effect, it was found that structure, surface morphology, chemical composition and electrical characteristic of CIGS thin films.
Finally, the results show the better characteristic of CIGS thin films in the hot filament temperature at 350 °C, annealing time at 30 minutes, annealing temperature at 550 °C and Se vapor temperature at 210 °C. Therefore it verified that hot filament enhanced selenization was a well way.

中文摘要 ……………………………………………………………….I
英文摘要 ……………………………………………………………….II
誌謝 …………………….………………………………………….......III
目錄 ……………………………………………………………………IV
表目錄 …………………………………………………………………IX
圖目錄 ………………………………………………………………….X
第一章 緒論
1-1 前言 ……………………………………………………………1
1-2 太陽電池總類 …………………………………………………3
1-2.1非晶矽薄膜太陽電池概述………………………………6
1-2.2碲化鎘薄膜太陽電池概述…………...…………….........7
1-2.3銅銦鎵硒薄膜太陽電池概述……………………………9
1-3研究動機與目的 ………………………………………….…..10
第二章 基礎理論與文獻回顧
2-1太陽電池操作原理 …….……………………………………..12
2-2熱燈絲處理機制 ……………….……………………………..16
2-3銅銦鎵硒薄膜太陽電池 ……………………….……….…….18
2-3.1操作原理…………………………………….…………..19
2-3.2吸收層…………………………………………………..22
2-3.3硒化法…………………………………………………..25
2-3.3.1硒化的反應機制…………………………………27
2-3.3.2硒化製程的相關文獻與公司..…………………..28
第三章 實驗流程與規劃
3-1實驗流程 ……………………….…………………………….30
3-2實驗規畫 ………………………….………………………….32
3-2.1實驗參數設計…………………………………………..32
3-2.2材料與試片準備………………………………………..35
3-2.2.1試片: 台灣玻璃 – 超白玻璃…………………...35
3-2.2.2銅銦鎵三元金屬合金靶材………………………36
3-2.2.3硒粉末……………………………………………36
3-3實驗儀器………………………………………………………36
3-3.1單源射頻磁控濺鍍系統………………………………..36
3-3.2熱燈絲輔助硒化退火系統……………………………..38
3-4製備硒化銅銦鎵薄膜…………………………………………40
3-4.1製備銅銦鎵三元金屬前驅層…………………………..40
3-4.2製備硒化銅銦鎵薄膜…………………………………..40
3-5分析量測儀器…………………………………………………41
3-5.1場發射掃描式電子顯微鏡………….………………….41
3-5.2 X光繞射儀…………………………..…………………42
3-5.3霍爾效應量測儀……………………………….……….45
3-5.4紫外光/可見光吸收光譜儀…………….………………47
3-5.5化學分析電子能譜儀…..………………………………48
第四章 結果與討論
4-1 一階段升溫方式 ……………….…………………………….50
4-1.1 不同熱燈絲溫度對硒化銅銦鎵薄膜的影響…....…..…51
4-1.1.1 結構分析…..………………..……………………51
4-1.1.2 化學組成成份分析………………………………54
4-1.1.3 電性分析…………………………………………55
4-1.1.4 光學分析…………………………………………57
4-1.2 不同退火時間對硒化銅銦鎵薄膜的影響…………..…58
4-1.2.1 結構分析…………………………………………58
4-1.2.2 化學組成成份分析………………………………61
4-1.2.3 電性分析…………………………………………62
4-1.2.4 光學分析…………………………………………64
4-1.3 不同退火溫度對硒化銅銦鎵薄膜的影響………..……65
4-1.3.1 結構分析…………………………………………65
4-1.3.2 化學組成成份分析………………………………68
4-1.3.3 電性分析…………………………………………69
4-1.3.4 光學分析…………………………………………71
4-1.4 不同硒蒸氣溫度對硒化銅銦鎵薄膜的影..……………72
4-1.4.1 結構分析…………………………………………72
4-1.4.2 化學組成成份分析………………………………75
4-1.4.3 電性分析…………………………………………76
4-1.4.4 光學分析…………………………………………78
4-2 兩階段升溫方式 ……………………………………………..79
4-2.1 不同持溫時間對硒化銅銦鎵薄膜的影響……..………80
4-2.1.1 結構分析…………………………………………80
4-2.1.2 化學組成成份分析………………………………83
4-2.1.3 電性分析…………………………………………84
4-2.1.4 光學分析…………………………………………86
第五章 結論
第六章 未來展望
參考文獻


表目錄
表2.1 各種燈絲材料之特性…………………………………………...18
表2.2 CuInSe2內在點缺陷的類型、形成能量級及其能階位置……..24
表2.3 CuInSe2元素比例與半導體特性及電性之對應關係…………..24
表2.4 CIS硒化製程的中間反應過程………………………………….27
表2.5 利用硒蒸氣硒化製程之相關文獻匯整………...………………28
表2.6 研發硒化製程之CIGS薄膜太陽電池相關單位列表…………29
表3.1 製備CIG三元金屬前驅層參數表……………………………..32
表3.2 熱燈絲輔助硒化之不同熱燈絲溫度製程參數表……...………34
表3.3 熱燈絲輔助硒化之不同退火時間製程參數表………………...33
表3.4 熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度製程參數表………………...33
表3.5 熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度製程參數表……………...34
表3.6 熱燈絲輔助硒化之兩階段不同持溫時間製程參數表…..……35







圖目錄
圖1.1 太陽能電池總類………………………………………………….5
圖1.2 非晶矽薄膜太陽電池結構示意圖……………………………….7
圖1.3 碲化鎘薄膜太陽電池結構示意圖……………………………….8
圖2.1 太陽電池操作示意圖…………………………………………...12
圖2.2 太陽電池等效電路圖…………………………………………...14
圖2.3 太陽電池在照光與不照光下之電流電壓輸出特性圖………...15
圖2.4 電子在金屬線材的表面情況，(a) 未給額外能量時，
電子在表面呈現穩定狀態；(b) 提供額外能量給金屬
線材時，電子將越過能障脫離金屬表面………..…………….17
圖2.5 硒化銅銦鎵薄膜太陽電池結構示意圖………………….……..20
圖2.6 照光情況下，CIGS太陽電池 bi-ZnO/CdS/CIGS 接面能帶
示意圖………………………………………………………….21
圖2.7 CIGS黃銅礦結構示意圖……………………………………….22
圖2.8 室溫時的Cu-In-Se三元相圖………………………………….23
圖2.9 CIGS薄膜(a) 富含銅(Cu-rich)，(b) 富含銦(In-rich)
表面形貌……………………………………………………….25
圖3.1 CIGS吸收層製備之實驗流程圖……………………………….31
圖3.2 本實驗室之單源射頻磁控濺渡系統…………………………..37
圖3.3 本實驗室之硒化退火系統構想示意圖………………………...39
圖3.4 本實驗室之硒化退火系統實機示意圖………………………...39
圖3.5 場發射掃描式電子顯微鏡示意圖……………………………...42
圖3.6 X光繞射儀示意圖………………………………………………45
圖3.7 霍爾效應量測操作原理示意圖………………………………...46
圖3.8 霍爾效應量測實機示意圖……………………………………...46
圖3.9 紫外光/可見光吸收光譜儀示意圖……………………………..47
圖3.10 化學分析電子能譜儀示意圖…………………………………49
圖4.1 一階段升溫方式之製程條件示意圖…………………………..50
圖4.2熱燈絲輔助硒化之不同熱燈絲溫度(25～350 °C)的
XRD分析………………………………………………………53
圖4.3熱燈絲輔助硒化之不同熱燈絲溫度(25～350 °C)對
半高寬與晶粒尺寸的影響…………………………………….53
圖4.4熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度的SEM表面形貌，
(a) 溫度25 °C，(b)溫度250 °C，(c)溫度300 °C，
(d)溫度350 °C…………………………………………………54
圖4.5 熱燈絲輔助硒化之不同熱燈絲溫度(25～350 °C)下，
硒原子在CIGS薄膜所佔的成分比…………………………..55
圖4.6 熱燈絲輔助硒化之不同熱燈絲溫度(25～350 °C)的
霍爾量測……………………………………………………….56
圖4.7熱燈絲輔助硒化之熱燈絲溫度(25~350 °C)在波長
600 nm與1000 nm的吸收係數趨勢圖......................................57
圖4.8 熱燈絲輔助硒化之不同退火時間(15~60min)的XRD分析…60
圖4.9熱燈絲輔助硒化之不同退火時間(15~60min)對半高寬與
晶粒尺寸的影響…………………………………………………60
圖4.10熱燈絲輔助硒化之不同退火時間的SEM表面形貌，
(a) 退火15分鐘，(b) 退火30分鐘，(c) 退火45分鐘，
(d) 退火60分鐘………………………………………………61
圖4.11熱燈絲輔助硒化之不同退火時間(15~60min)下，硒原子在
CIGS薄膜所佔的成分比………………………..……………62
圖4.12熱燈絲輔助硒化之不同退火時間(15~60min)的霍爾量測…..63
圖4.13熱燈絲輔助硒化之退火時間(15~60 分鐘)在波長
600 nm與1000 nm的吸收係數趨勢圖....................................64
圖4.14 熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度(400～550 °C)的
XRD分析………………………………….…………………..67
圖4.15熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度(400～550 °C)對半高寬
與晶粒尺寸的影響……………………………………………67
圖4.16熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度的SEM表面形貌，
(a) 退火溫度400 °C，(b) 退火溫度450 °C，
(c) 退火溫度500 °C，(d) 退火溫度550 °C…………….....……68
圖4.17熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度(400～550 °C)下，
硒原子在CIGS薄膜所佔的成分比………………………...…69
圖4.18熱燈絲輔助硒化之不同退火溫度(400～550 °C)的霍爾量測..70
圖4.19熱燈絲輔助硒化之退火溫度(400~550 °C)在波長
600 nm與1000 nm的吸收係數趨勢圖....................................71
圖4.20 熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度(190～230 °C)的
XRD分析…...………………………………………………….74
圖4.21熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度(190～230 °C)對
半高寬與晶粒尺寸的影響…………………………………….74
圖4.22熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度的SEM表面形貌，
(a) 溫度190 °C，(b)溫度210 °C，(c)溫度230 °C……………75
圖4.23熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度(190～230 °C)下，
硒原子在CIGS薄膜所佔的成分比…………………………..76
圖4.24熱燈絲輔助硒化之不同硒蒸氣溫度(190～230 °C)的霍爾
量測……………………………………………………………..77
圖4.25熱燈絲輔助硒化之硒蒸氣溫度(190~230 °C)在波長
600 nm與1000 nm的吸收係數趨勢圖....................................78
圖4.26 兩階段升溫方式之製程條件示意圖…………………………79
圖4.27 熱燈絲輔助硒化之不同持溫時間(0~15min)在250 °C
的XRD分析…………………………………………………..82
圖4.28 熱燈絲輔助硒化之不同持溫時間(0~15min)在250 °C
對半高寬與晶粒尺寸的影響…………………………………82
圖4.29 熱燈絲輔助硒化之不同持溫時間(0~15min)在250 °C
的SEM表面形貌，(a) 持溫0分鐘，(b) 持溫5分鐘，
(c) 持溫10分鐘，(d) 持溫15分鐘………………………….83
圖4.30 熱燈絲輔助硒化之不同持溫時間(0~15min)在250 °C下，
硒原子在CIGS薄膜所佔的成分比……………………..…….84
圖4.31 熱燈絲輔助硒化之不同持溫時間(0~15min)在250 °C
的霍爾量測…………………………………………………….85
圖4.32 熱燈絲輔助硒化之持溫時間(0~15 分鐘) 在250°C下，
在波長在600 nm與1000 nm的吸收係數趨勢圖……….…86

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