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研究生:林師婷
研究生(外文):Shih-Tyng Lin
論文名稱:氮化銦鎵太陽能電池之研製與特性分析
論文名稱(外文):Fabrication and Characteristic of InGaN Solar Cells
指導教授:洪瑞華
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:氮化銦鎵太陽能電池晶圓鍵合雷射剝離技術
外文關鍵詞:InGaNsolar cellwafer bondinglaser lift-off
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本論文主要研究氮化銦鎵太陽電池之製程建立,並且探討不同主動層(In1-xGaxN)厚度和不同銦含量組成對於p-i-n結構之氮化銦鎵太陽能電池特性之影響。
元件中不同的主動層厚度會有不同的光吸收量,較厚雖然可增加光吸收量,但相對地串聯電阻、暗電流等特性皆會因厚度增加而增加,上述幾點都會影響太陽電池的轉換效率。
為了增加主動層對光的吸收我們利用雷射剝離技術把藍寶石基板移除,並利用晶圓鍵合技術將p-i-n結構之磊晶膜轉移至具有高反射鏡面之矽基板上,此具鏡面之基板有助於增加主動層(In1-xGaxN)對於光的吸收。經由基板轉置之元件使用標準太陽模擬光源量測系統(AM1.5,one sun)量測效率結果發現,此元件之電流密度由0.31 mA/cm2 增加為0.52 mA/cm2,電流密度相對提昇68%,而效率由0.51%提昇至0.80%。由此發現,此具鏡面之矽基板結構的確有利於氮化銦鎵太陽能電池。
This study is focused to fabricate Indium-Gallium-Nitride (InGaN) solar cells and investigated the effects of different thickness of active layer (In1-xGaxN) and different composition of Indium on the characteristics of p-i-n type solar cell.
The layer thickness is an issue of the output electrical characteristics of device. A thicker active layer will absorb more incidents light, but too thick active layer will result in increasing in both series resistance and dark current, which will degenerate the performance of the device.
In order to enhance the light absorption for the thin active layer of InGaN solar cell, the InGaN solar cell on sapphire was fabricated by laser lift-off technique to remove sapphire and then transferring the remaining p-i-n structure onto a Ti/Ag mirror-coated Si substrate via wafer bonding. The mirror structure can enhance light absorption for InGaN solar cell with a thin absorption layer. After the epilayer transfer, upon illuminating by standard solar simulator measurement system (one sun, 25oC, AM1.5G, 100 mW/cm2), it is found the current density of solar cell was improved from 0.31 mA/cm2 to 0.52 mA/cm2, the device exhibits an enhancement factor of 68% in current density and an increment in conversion efficiency from 0.51 % to 0.80%. It is attributed that this structure really has advantage to enhance the light absorption for solar cell application.
目錄
封面內頁
簽名頁
授權書
誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章、緒論 1
1.1 前言 1
1.2現今太陽能電池發展趨勢 2
1.3 研究動機 4
1.4 論文架構 5
第二章、太陽能電池發電原理及特性 6
2.1 前言 6
2.2太陽能電池工作原理 6
2.2.1半導體能帶理論 6
2.2.2半導體的光吸收與吸收係數 7
2.2.3 P-N接面太陽能電池 8
2.2.4太陽光之光譜照度 9
2.2.5太陽能電池之等效電路 10
2.2.6太陽能池之基本參數 11
2.3 影響太陽能電池效率之因素 12
第三章、元件製程與量測儀器原理 14
3.1 前言 14
3.2 元件製作 14
3.2.1氮化鎵試片之磊晶結構 14
3.2.2試片之清洗 14
3.2.3透明傳導層之製作 15
3.2.4 平台(Mesa)蝕刻 16
3.2.5電極之製作 16
3.3 抗反射膜之製作 16
3.4 置換基板之製作 17
3.4.1 藍寶石基板之剝離 17
3.4.2 u-GaN 表面粗化和去除 18
3.4.3 具鏡面之高熱傳導基板之製作與晶片黏貼 19
3.4.4 暫時基板之移除 19
3.5 量測與分析系統 19
3.5.1太陽光模擬器與IV 量測系統 19
3.5.2穿透式電子顯微鏡 20
3.5.3 X光繞射儀 21
3.5.4光激光譜特性量測原理之簡介 21
3.5.5 N&K光學量測系統 22
第四章、結果與討論 23
4.1 前言 23
4.2不同主動層厚度之氮化銦鎵太陽能電池結果與分析討論 23
4.2.1 InGaN厚度設計為200 nm 23
4.2.2 InGaN厚度設計為150 nm 24
4.2.3 InGaN厚度設計為100 nm 25
4.2.4綜合結果之討論 25
4.3 抗反射層之結果分析 26
4.4磊晶膜轉移至具金屬反射鏡面矽基板之結果與分析討論 26
4.4.1具反射鏡面矽基板之氮化銦鎵太陽能電池效率量測 26
4.4.2 改變緩衝層厚度之影響討論 28
第五章 結論與未來展望 30
5.1 結論 30
5.2 未來展望 31
參考文獻 32



圖目錄
圖1.1 太陽能電池的技術分類 40
圖1.3 三層式GaAs太陽電池結構 41
圖1.2 各類型太陽能電池在效率上的發展演進關係 41
圖1.5 InxGa1-xN能隙與太陽光光譜比較 42
圖1.4 半導體材料能隙與晶格常數關係圖 42
圖2.1 三種材料的能帶表示圖 43
圖2.2 不同波長電磁波射入半導體的現象 43
圖2.4 太陽輻射AM0與AM1.5以及6000 K的黑體輻射光譜 44
圖2.3 太陽能電池發電原理 44
圖2.6 太陽電池照光後之IV特性曲線 45
圖2.5 太陽電池的電路模型圖 45
圖3.1 氮化銦鎵太陽能電池製程流程圖 46
圖3.2 磊晶膜轉移至散熱基板之solar cell製程流程圖 47
圖3.3 氮化銦鎵太陽能電池磊晶結構圖 48
圖3.4 Ni/Au 與ITO之穿透率比較 48
圖3.6 太陽電池柵狀電極圖樣 49
圖3.5 ITO薄膜在不同退火溫度與時間下之I-V特性曲線 49
圖3.7 TiO2/SiO2抗反射層之反射率 50
圖3.8 脈衝雷射能量與各材料作用示意圖 50
圖3.9 Ti /Al鏡面之反射率 51
圖3.10 太陽標準光源模擬器示意圖 51
圖3.11 TEM與OM結構差異示意圖 52
圖3.12 X-Ray分析系統 (a)繞射系統示意圖 (b)光學模組構造圖 52
圖3.13光激發光譜結構示意圖 53
圖3.14 N&K量測系統 (a)工作原理 (b)量測光路與內部構造圖 53
圖4.1 InGaN 厚度200 nm,不同In含量之solar cell電流密度與電壓關係 54
圖4.2 InGaN 厚度200 nm,不同In含量之solar cell電流密度與電壓關係圖 55
圖4.3 在600˚C; 10分鐘退火條件之I-V特性曲線 55
圖4.4 In0.10Ga0.90N; 200 nm試片之截面圖 56
圖4.5 In0.12Ga0.88N; 200 nm 試片之截面圖 57
圖4.6 In0.14Ga0.86N; 200 nm 試片之截面圖 58
圖4.7 InGaN厚度150 nm,不同In含量之solar cell電流密度與電壓關係圖 59
圖4.8 InGaN厚度200 nm之XRD圖 60
圖4.9 InGaN厚度150 nm之XRD圖 60
圖4.10 In0.10Ga0.90N; 150 nm試片之截面圖 61
圖4.11 In0.12Ga0.88N; 150 nm試片之截面圖 62
圖4.12 In0.14Ga0.86N; 150 nm試片之截面圖 63
圖4.13 InGaN厚度100 nm,不同In含量之solar cell電流密度與電壓關係圖 64
圖4.14 InGaN厚度100 nm與150 nm之XRD圖 64
圖4.15 InGaN 厚度為200 nm薄膜之光激發光譜圖 65
圖4.16 InGaN 厚度為150 nm薄膜之光激發光譜圖 65
圖4.17 InGaN 200 nm置換成矽基板之In0.1Ga0.9N solar cell電流密度與電壓之關係圖 66
圖4.18 InGaN 150 nm置換成矽基板之In0.1Ga0.9N solar cell電流密度與電壓之關係圖 66
圖4.19 InGaN 100 nm置換成矽基板之In0.1Ga0.9N solar cell電流密度與電壓之關係圖 67
圖4.20 InGaN 200 nm不同取光製程電流密度與電壓之關係圖 67
圖4.21 InGaN 150 nm不同取光製程電流密度與電壓之關係圖 68
圖4.22 Thin InGaN/mirror/Si 結構之光路徑示意圖 68
圖4.23改變u-GaN層結構之示意圖 69





表目錄
表4.1 InGaN layer厚度為200 nm之solar cell 特性資料 36
表4.2 InGaN layer厚度為150 nm之solar cell 特性資料 36
表4.3 InGaN layer厚度為100 nm之solar cell 特性資料 37
表4.4 InGaN layer厚度為200 nm之solar cell with ARC特性資料 37
表4.5 InGaN layer厚度為150 nm之solar cell with ARC特性資 37
表4.6 InGaN 200 nm,藍寶石基板與矽基板之solar cell 特性資料 38
表4.7 InGaN 150 nm,藍寶石基板與矽基板之solar cell 特性資料 38
表4.8 InGaN 100 nm,藍寶石基板與矽基板之solar cell 特性資料 38
表4.9改變u-GaN與矽基板之接面處情形之solar cell 特性資料 39
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