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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:雲曜廷
研究生(外文):Yun, Yaoting
論文名稱:以連續式熱燈絲化學氣相沉積系統製備矽基薄膜太陽電池
論文名稱(外文):Preparation of Thin Film Solar Cells by In-line Hot Wire Chemical Vapor Deposition
指導教授:連水養連水養引用關係吳家豪吳家豪引用關係
指導教授(外文):Lien, ShuiyangWu, Chiahao
口試委員:連水養吳家豪陳家富
口試委員(外文):Lien, ShuiyangWu, ChiahaoChen, Chiafu
口試日期:2012-01-19
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料科學與工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:連續式多腔體熱燈絲化學氣相沉積矽薄膜薄膜太陽電池
外文關鍵詞:In-Line Hot-Wire Chemical Vapor DepositionSilicon Thin FilmSolar Cell
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熱燈絲化學氣相沉積技術(HWCVD)在沉積非晶及微晶矽薄膜於太陽電池的應用是極具潛力的一種技術。以熱燈絲化學氣相沉積系薄膜相較於電漿輔助化學氣相沉積主要優點為:(1)無電漿轟擊(2)較高沉積速率(3)較低設備成本(4)較高氣體使用率,但扔有基板溫度控制不易及燈絲老化的問題。
本論文主要採用自行開發之連續式多腔體熱燈絲化學氣相沉積系統(In-Line HWCVD),沉積微晶矽薄膜並探討微晶矽薄膜的沉積技術、特性分析及其應用。本研究改變不同氫稀釋比例(67% ~ 95 %)、製程壓力(60 mtorr ~ 100 mtorr)、基板溫度(25 0C~350 0C)及燈絲溫度(1500 0C ~1800 0C)等參數,探討微晶矽薄膜其光學、電性、結構特性的影響,在適當的調變參數下,我們期望可以得到低能隙(~1.1 eV)、高結晶率(>90 %)的微晶矽薄膜特性。
最後由上述之矽薄膜材料特性,再以連續式多腔體熱燈絲化學氣相沉積微晶矽結構,期望實現最佳太陽電池特性之微晶矽薄膜太陽電池。

Hot-Wire Chemical Vapor Deposition (Hot-Wire CVD) is a promising technique for deposition of amorphous and microcrystalline silicon thin films for photovoltaic
applications.The main advantages of Hot-Wire CVD over PECVD , which is currently the most widespread applied technique to deposit thin silicon films in industry , are (1) absence of ion bombardment , (2) high deposition rate , (3) low equipment cost and (4) high gas utilization. Possible issues in Hot-Wire CVD are the control of the substrate tempture and aging of the filament.
In this paper ,we discusses with the full spectrum of deposition, characterization and application of amorphous and microcrystalline silicon thin films by In-Line Hot-Wire CVD. We transform parameters of the hydrogen diliution ratio (DH = 90~95%), the substrate temperature (TS = 150 0C~350 0C) and the filament tempture (Tf = 1500 0C ~1800 0C), to investigate the crystallization rate and silicon thin film micro-structure. In the appropriate transform parameters, a wide range of microstructure features ranging from purely amorphous to highly crystalline (90 %) was achieved after suitably tuning the deposition parameters.
Finally, from the characteristic of material mentioned above, we expect that we can achieve the best properties of thin film solar cell by depositing on the amorphous and microcrystalline structures in In-Line Hot-Wire CVD.

總目錄
中文摘要............................I
英文摘要...........................II
誌謝.............................III
總目錄............................IV
圖目錄............................VI
表目錄............................IX
第一章 緒論.........................01
 1-1 前言..........................01
 1-2 太陽電池介紹.....................03
1-2-1 單晶矽太陽能電池.................03
1-2-2 多晶矽太陽能電池.................04
1-2-3 非晶矽太陽能電池.................05
1-2-4 微晶與奈米晶矽太陽能電池..............08
1-3 研究動機與目的.....................09
第二章 理論基礎與文獻回顧..................11
 2-1 熱燈絲化學氣相沉積法..................11
 2-2 CVD薄膜成長機制...................11
 2-3 熱燈絲化學氣相沉積法機制原理.............13
 2-4 HWCVD 與PECVD 沉積之相異性.............14
 2-5 氫稀釋法對矽薄膜之影響.................17
2-6 本論文研究相關之文獻..................19
第三章 實驗方法與步驟....................22
 3-1 實驗流程與設計.....................22
 3-2 實驗材料與基材前處理..................24
 3-3 實驗設備........................25
  3-3-1 連續式熱燈絲化學氣相沉積系統(In-line HWCVD)...25
   3-3-1-1 微晶矽薄膜製備.................28
  3-3-2 連續式多腔體濺鍍系統(In-line Sputter).........29
3-4 分析儀器........................32
  3-4-1 表面輪廓儀(Alpha-step)...............32
  3-4-2 紫外光/可見光吸收光譜儀(UV-vis spectroscopy)......34
  3-4-3 拉曼光譜儀(Raman).................36
3-4-4 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)...........38
3-4-5 太陽光源模擬器(Solar Simulator)...........40
第四章 結果與討論......................43
  4-1 調變氫稀釋比對微晶矽薄膜特性的影響..........43
  4-2 調變製程壓力對微晶矽薄膜特性的影響..........51
  4-3 調變燈絲溫度對微晶矽薄膜特性的影響.........58
  4-4 調變基板溫度對微晶矽薄膜特性的影響.........65
4-5 最佳參數應用於太陽電池原件..............72
第五章 結論.........................74
第六章 未來展望.......................76
參考文獻...........................77

圖目錄
圖 1-1 單晶矽太陽能電池結構圖................03
圖 1-2 非晶矽薄膜太陽能電池結構圖..............05
圖 2-1 薄膜沉積步驟分解圖,(a)孕核(b)晶粒成長(c)晶粒聚結(d)
縫道填補(e)沉積膜成長................12
圖 2-2 化學氣相沉積的五個主要機構..............13
圖 2-3 熱燈絲化學氣相沉積法沉積薄膜機制圖..........14
圖 3-1 實驗流程圖......................22
圖 3-2 本實驗室熱燈絲化學氣相沉積(HWCVD)系統示意圖...26
圖 3-3 本實驗室熱燈絲化學氣相沉積(HWCVD)系統實體圖....26
圖 3-4 本實驗室連續式多腔體濺鍍系統實體圖..........29
圖 3-5 本實驗室連續式多腔體濺鍍(In - line Sputter)系統示意圖..30
圖3-6 α - step 量測示意圖...................33
圖 3-7 α - step 機台實體圖...................34
圖 3-8 紫外光/可見光吸收光譜儀.................35
圖3-9 UV-Visible光學能隙示意圖................35
圖3-10 結晶矽薄膜之拉曼光譜圖做分解示意圖..........37
圖 3-11 場發射掃描式電子顯微鏡................40
圖 3-12 本實驗室太陽光能模擬器................42
圖 3-13 太陽光譜圖(AM1.5)..................42
圖4-1 不同氫稀釋比對微晶矽薄膜沉積速率關係圖.........44
圖4-2 不同氫稀釋比條件下之光學能隙與吸收係數關係圖......45
圖4-3 不同氫稀釋比對微晶矽薄膜之拉曼光譜圖..........46
圖4-4 不同氫稀釋比對微晶矽薄膜之結晶率圖...........47
圖4-5 不同氫稀釋比(a)67 %(b)75%(c)90 %(d)95 %(e)97 %
之微晶矽薄膜SEM表面形貌圖..............49
圖4-6 不同氫稀釋比條件下之光暗電導值與光暗電導比關係圖 ...50
圖4-7 不同製程壓力對微晶矽薄膜沉積速率關係圖........52
圖4-8 不同製程壓力條件下之光學能隙與吸收係數關係圖.....53
圖4-9 不同製程壓力對微晶矽薄膜之拉曼光譜圖.........54
圖4-10不同製程壓力對微晶矽薄膜之結晶率圖..........54
圖4-11不同製程壓力(a) 60 mtorr (b) 70 mtorr (c) 80 mtorr (d) 90 mtorr (e)
100 mtorr之微晶矽薄膜SEM表面形貌圖........55
圖4-12不同製程壓力條件下之光暗電導值與光暗電導比關係圖....57
圖4-13不同燈絲溫度對微晶矽薄膜沉積速率關係圖.........59
圖4-14不同燈絲溫度下光學能隙與吸收係數關係圖.........59
圖4-15不同燈絲溫度對微晶矽薄膜之拉曼光譜圖..........61
圖4-16不同燈絲溫度對微晶矽薄膜之結晶率圖...........61
圖4-17不同燈絲溫度(a) 1500 oC (b) 1600 oC (c) 1700 oC (d) 1800 oC 之微晶
矽薄膜SEM表面形貌圖.................63
圖4-18不同燈絲溫度條件下之光暗電導值與光暗電導比關係圖....64
圖4-19不同基板溫度對微晶矽薄膜沉積速率關係圖.........66
圖4-20不同燈絲溫度下光學能隙與吸收係數關係圖.........66
圖4-21不同燈絲溫度對微晶矽薄膜之拉曼光譜圖..........68
圖4-22不同燈絲溫度對微晶矽薄膜之結晶率圖...........68
圖4-23不同基板溫度(a) 25 oC (b) 150 oC (c) 200 oC (d) 250 oC (e) 350 oC 之
微晶矽薄膜SEM表面形貌圖...............70
圖4-24不同基板溫度條件下之光暗電導值與光暗電導比關係圖....71
圖4-25 微晶矽太陽電池效率圖..................73

表目錄
表 2-1 PECVD 與 HWCVD機台特性比較............16
表 3-1不同i-layer氫稀釋比例之 HWCVD 製程參數........23
表 3-2不同i-layer製程壓力之 HWCVD 製程參數.........23
表 3-3不同i-layer燈絲溫度之 HWCVD 製程參數.........24
表3-4不同i-layer基板溫度之 HWCVD 製程參數.......24
表4-1不同氫稀釋比例之 HWCVD 製程參數..........44
表4-2不同製程壓力之HWCVD製程參數............51
表4-3不同燈絲溫度之HWCVD製程參數...........58
表4-4不同基板溫度之HWCVD製程參數............65
表 4-5 最佳之HWCVD製程參數.................72

參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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